聚合硫酸铝铁的制备与应用研究_石晓明

1、聚合硫酸铝铁的制备与应用研究石晓明1,杨勇1,杨汉新1,郑伟斌2,刘杰3(1广东省环境保护职业技术学校,广东广州510655;2广东省环境保护厅环境监察局,广东广州510630;3桂林理工大学广西环境工程与保护评价重点实验室,广西桂林541004摘要目的研究聚合硫酸铝铁的制备和应用。方法采用3因素3水平L 9(33正交试验制备聚合硫酸铝铁(PAFS ,通过PAFS 对含油废水浊度和色度的去除效果研究了PAFS 的最佳合成条件和最佳处理条件,并通过与硫酸铁、硫酸铝和聚合氯化铝(PAC 絮凝效果的比较,对PAFS 的性能进行评价。结果当Fe /Al 摩尔比为3:5,pH 值为35,熟化温度为65时

2、,合成的产品性能最优,去浊率达9455%,脱色率达96%,除油率达8267%。当投加量为140mg /l ,原水pH 值为8时,PAFS 处理效果最佳,去浊率达9505%。相同条件下,PAFS 的絮凝效果优于其他3种絮凝剂。结论为PAFS 的合成和应用提供理论依据,对实际生产和含油污水的处理有一定经济效益。关键词聚合硫酸铝铁;含油废水;正交试验;去浊率中图分类号X703文献标识码A 文章编号05176611(2011080463202Preparation and Application of Polymeric Aluminum Ferric SulfateSHI Xiao ming et

3、al (Vocational and Technological School of Guangdong Environmental Protection ,Guangzhou ,Guangdong 510655Abstract Objective The aim was to study preparation and application of polymeric aluminum ferric sulfateMethod Orthogonal experi-ment of three elements and three levels was used to prepare polym

4、eric aluminum ferric sulfate (PAFS ,and the optimum synthesis conditions and treatment conditions from the removal efficiency of PAFS on the turbidity and color were analyzed ,the performance of PAFS was also eval-uated comparing the flocculation effect of ferric sulfate ,aluminum sulfate and poly a

5、luminum chlorideResult The results showed that the flocculants displayed floccuulation performance of the best when Fe /Al molar ratio was 3:5,pH and curing temperature were 35and 65,meanwhile ,the rates of turbidity ,decoloration and oil removal were 9455%,96%and 8267%And the optimum processing con

6、ditions were under the dosage of 140mg /L ,the pH of raw water was 8,then the turbidity removal ratio was 9505%Under the same conditions ,the flocculation of PAFS was better than the other threeConclusion The study provided theoretical support for the preparation and application of the PAFS ,and it

7、was beneficial to the actual production and treatment of oily wastewaterKeywords Polymeric aluminum ferric sulfate ;Oily wastewater ;Orthogonal experiment ;The rate of turbility基金项目广西科学研究与技术开发计划课题(桂科攻101240033。作者简介石晓明(1976,男,湖北钟祥人,工程师,硕士,从事环境科学与环境化学方面的研究。收稿日期2010-12-13絮凝法水处理技术是废水处理中应用最广泛、最经济、最重要的方法1

8、,也是去除水体中小颗粒胶体物质最有效的方法之一2。当待处理废水是一种既稳定又复杂的分散体系,而传统絮凝剂和无机高分子絮凝剂无法满足处理的要求时,复合无机高分子絮凝剂具备较好的处理效果,表现出广谱、低毒、原料低廉、处理效果好以及操作简单等优势3。近年来,含油废水对生态环境的污染已得到越来越多的关注,它的有效处理对生态环境保护意义深远4。聚合硫酸铝铁(PAFS 是三大复合无机高分子絮凝剂之一,目前对其絮凝效果方面的研究较少。笔者对聚合硫酸铝铁的合成条件和处理条件进行了研究,并对其性能进行比较评价,以期获得更适于处理含油废水、性能更优的絮凝剂,为聚合硫酸铝铁的应用及推广提供理论依据。1材料与方法11

9、仪器与试剂仪器:TN100型浊度计,Sartorius PB-10pH 计,MY3000-6智能型絮凝试验搅拌仪(湖北省潜江市梅宇仪器有限公司,JJ-1型精密增力电动搅拌器(上海浦东物理光学仪器厂,HHS-2S 电子恒温不锈钢水浴锅(上海光地仪器设备有限公司,79-1型磁力加热搅拌器(江苏金坛市金城国盛实验仪器厂,722可见分光光度计,电子天平(上海峻熙电子科技有限公司。药剂:重铬酸钾、浓硫酸、硫酸银、硫酸亚铁铵、试亚铁灵指示剂、硫酸铁、硫酸铝、无水碳酸钠、石油醚、氢氧化钠。以上药剂均为分析纯。水样:采自江汉油田实际生产中的含油废水,其物理化学性质:浓度106NTu ,色度200,含油量103

10、83mg /L ,COD 495mg /L ,pH 值715。12方法121PAFS 的制备。采用硫酸铁和硫酸铝溶液加碱聚合法合成PAFS ,合成工艺流程:称样溶解调节pH 值保温熟化液体PAFS 。准确称取一定量的硫酸铁(Fe 2(SO 43、硫酸铝(Al 2(SO 43·18H 2O 于定量水中,用饱和碳酸钠溶液调节pH 值,在确定温度下边搅拌边保温使其聚合。保温时间严格按照熟化时间,常温冷却、结晶,即得所需产品。122PAFS 的应用研究。1221PAFS 处理含油废水。采用单因素试验研究PAFS在不同条件下对含油废水的絮凝效果。单因素试验中,投加PAFS 进行絮凝处理后,均采

11、用以下操作流程:先快搅(300r /min 1min ,再慢搅(100r /min 5min ,静置15min ,取距离水面10mm 处的水样进行检测。最佳合成条件:Fe /Al 摩尔比。取熟化温度T =60、熟化时间t =25h 、pH =305,分别在Fe /Al 摩尔比为02、04、06、08、10的条件下合成PAFS ,取PAFS 投加量为120mg /L 对试验水样进行絮凝处理6。pH 值。取熟化温度T =60、熟化时间t =25h 、Fe /Al =04,分别在pH 值为20、25、30、35、40条件下合成PAFS ,取PAFS 投加量为120mg /L 对试验水样进行絮凝处理。

12、熟化温度。取熟化时间t =25h 、pH =35、Fe /Al =04,分别在熟化温度为50、55、60、65、70条件下合成PAFS ,取PAFS 投加量为120mg /L 对试验水样进行絮凝处理。最佳处理条件:PAFS 投加量。取200ml 待测水样于不同烧杯中,向烧杯中分别投加不同量的PAFS ,对试验水样责任编辑李占东责任校对卢瑶安徽农业科学,Journal of Anhui AgriSci2011,39(8:46324633,4832DOI:10.13989/ki.0517-6611.2011.08.068进行絮凝处理,投加量分别为40、60、80、100、120、140、160、1

13、80、200mg/L。pH值。取200ml待测水样于不同烧杯中,用01mol/L的NaOH溶液和01mol/L的H2SO4溶液分别调其pH值为5、6、7、8、9、10、11、12,然后向其中加入140 mg/L的PAFS溶液对试验水样进行絮凝处理。1222常规因子的测定方法。重铬酸钾标准法测COD7,稀释倍数法测色度8,浊度计测浊度9,分光光度计测定试验水样的含油量10。去浊率=(原废水浊度处理后废水浊度/原废水浊度100%,脱色率=(原废水色度处理后废水色度/原废水色度100%。2结果与分析21最佳合成条件211单因素对PAFS絮凝效果的影响。由表1可知, Fe/Al摩尔比、pH值、熟化温度

14、对PAFS絮凝剂的合成有不同程度的影响,不同合成条件下制备的PAFS的絮凝效果存在显著差异。其中,不同Fe/Al摩尔比条件下,PAFS去浊率为4755% 766%,脱色率为68% 96%,且去浊率和脱色率均随Fe/Al摩尔比的增大呈先增大后减小的趋势,当Fe/Al摩尔比为04时,PAFS的去浊率达到最大值766%,继续增大Fe/Al摩尔比,PAFS去浊率的相对减少量大于PAFS脱色率的相对增加量,且此时脱色率达92%,则Fe/Al摩尔比为04时絮凝效果最好。处理效果先增强后减弱的可能原因是Fe含量的增加提高了产品的聚合度,从而增强了絮凝剂的絮凝效果,当Fe含量过大时,由于Fe 优于Al的水解聚

15、合作用,从而降低产品的电中和能力,致使絮凝效果变差11。pH值影响絮凝剂的形态,从而导致絮凝效果存在差异12。由表1可知,pH值对PAFS去浊率的影响较大,在pH值2 4时PAFS去浊率为2208% 9575%,脱色率为68% 92%,且pH3时脱色率基本保持稳定。PAFS的絮凝效果对熟化温度的敏感性差,PAFS去浊率和脱色率分别为8974% 9575%、84% 96%。由此可知,在其他条件一定时,Fe/Al=04,pH=35、熟化温度为60时,PAFS的絮凝处理效果最好。表1Fe/Al摩尔比、pH值、熟化温度对PAFS絮凝效果的影响Table1Effect of Fe/Al molar ra

16、tio,pH and curing temperature on PAFS flocculation effect项目ItemsFe/Al0204060810pH2025303540熟化温度Curing temperature5055606570处理后水样浊度NTU Water sam-ple turbidity after treatment556248284326362826695284458331266108845745816处理后水样色度倍Water samplechroma after treatment641681632643216161632168816去浊率%Turbidity

17、 removal rate4755766732169256585220834437321957592148806897495759297923脱色率%Decolorization rate689296928468849292928492969692212合成条件的正交试验分析。选择Fe/Al摩尔比、pH值、熟化温度3个因素,根据前期试验验结果选取3个水平,采用L9(33正交试验13,研究不同条件下合成的PAFS对含油废水浊度的去除效果。正交试验因素水平和结果见表2、3。由表3可知,PAFS对含油废水的去浊率在76% 94%,去浊效果存在一定差异。对废水浊度去除率的影响为ABC,优化水平组合为A

18、2B2C2,即Fe/Al摩尔比为35,pH值为35,熟化温度为65。表2PAFS制备试验设计因素水平Table2Experimental design factors and levels of PAFS preparation水平Levels因素FactorsFe/Al摩尔比(AFe/Al molar ratiopH值(BpH value温度(CTemperature12530602353565345407022最佳处理条件PAFS投加量和原水pH值对PAFS去浊率的影响见图1、2。由图1、2可知,在一定范围内,随着PAFS投加量的增加,PAFS对含油废水浊度的去除率随之增加,PAFS投加量

19、达100mg/L后,去除率的变化趋于平缓,投加量为140mg/L时,絮凝处理效果达到最佳,继续增加投加量,去浊率呈略减小的趋势。可能原因是增加絮凝剂的投加量,可以增加杂质颗粒参与卷扫和吸附架桥的机会,从而提高絮凝效果;过量投加会导致已经中和的带负电胶体粒子因再次吸附而带正电,并重新达到稳定状态,产生胶体保护作用,从而减弱絮凝效果。一定范围内,PAFS对含油废水浊度的去除率与原水pH值呈正比例关系,在原水pH=8时絮凝效果达到最佳,且当pH值在7 12时,去浊率变化趋势趋于平缓,去浊率均达到87%以上,这说明PAFS对原水pH值的适用范围较广。此外,原水pH值和PAFS投加量对去浊率的影响趋势表

20、现出很好的相关性,其相互之间的复合絮凝机理值得进一步研究。表3正交试验结果Table3Results of orthogonal test试验号Test number因素LevelsA B C浊度NTUTurbidity去浊率%Turbidity re-moval rate 111124807660 21227459297 313318858222 42129089143 5223678936 62318879163 731313548723 832110658995 93326349402k1839385098606k2922292189281k390489298768R8297096752

21、3PAFS的性能评价231不同絮凝剂絮凝效果的比较。由图3可知,PAFS的(下转第4832页336439卷8期石晓明等聚合硫酸铝铁的制备与应用研究2龚蓉,谷洪波小城镇住宅区规划设计评价指标体系研究J 湖南城市学院学报:自然科学版,2008(3:31343方明新型农村社区规划多角度思考J 建设科技,2006(22:50514赵霄龙就地取材新农村建材本土资源化J 建设科技,2006(11:檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪15(上接第4633页絮凝效果均优于其他3种絮凝剂。其中,PAFS 絮凝效果优于传统无机盐类絮凝剂硫酸铁和硫酸铝。主要

22、是因为PAFS 水解聚合生成多核配位物,能有效压缩双电层,降低或消除原水中胶体的电位,从而降低颗粒间的排斥力,增强电中和能力14。此外,高聚物絮凝剂具有较大的比表面积和较高正电荷,在吸附水体中带负电的杂质方面表现出很强的净水性能和吸附能力15。PAFS 絮凝效果优于PAC 的可能原因是Fe 3+及其水解作用降低了聚合物表面及粒子表面的负电荷,促进吸附电中和作用和吸附架桥作用,从而增强絮凝剂对悬浮颗粒的吸附能力12,16 。图1PAFS 投加量对去除率的影响Fig1Effects of PAFS dosage on turbidity removal rate图2原水pH 值对去除率的影响Fig

23、2Effect of pH value of raw weter on turbidity removal rate图3不同絮凝剂投加量对去浊率的影响Fig3Effects of different flocculant types and dosage on turbid-ity removal rate232PAFS 对含油废水的处理效果。结果表明,所制备的产品对浊度的去除率为9455%,对色度的的去除率为96%,对油的去除率为8267%。与现阶段各种絮凝剂的去除效果相比,均达到较高水平,由此可知,该产品的性能较优。3结论(1合成条件Fe /Al 摩尔比、pH 值、熟化温度对产品PAFS

24、的性能有不同程度的影响。其中pH 值对PAFS 去浊率的影响较大,当pH 值在2 4时,PAFS 去浊率为2208% 9575%。Fe /Al 摩尔比对其性能的影响也较大,且去浊率和脱色率均在30%左右。在不用熟化温度条件下,PAFS 性能变化不明显。(2絮凝剂PAFS 在处理含油废水时,不同投加量和原水pH 值条件下,其絮凝机理发生改变,从而对絮凝效果产生影响。絮凝试验结果表明,投加量为140mg /L 、原水pH =8时,絮凝效果最佳。(3PAFS 的絮凝效果优于硫酸铁、硫酸铝和PAC ,表现出用量少、形成矾花大、沉降速度快、去除率高等优势。相同条件下,与硫酸铁、硫酸铝和PAC 相比,PA

25、FS 对浊度的去除率提高了10%左右,且絮凝处理后含油废水的浊度更低。研究表明,PAFS 在含有废水的处理方面优势明显,这对PAFS 的应用及推广具有重要意义。参考文献1RADOIU M T ,Martin D I ,CALINESCU I ,et alPreparation of poly-elec-trolytes for wastewater treatment J Journal of Hazardous Materials ,2004,106:27372SPINELLI L SInfluence of polymerbases on the synergistic effects ob-tained from mixtures of additives in