复合絮凝剂PFMS的制备及其絮凝性能研究

［摘要］以FeSO4、MgO和H2SO4为原料制备了新型镁铁复合絮凝剂PFMS，考察了反应温度、氧化剂用量、硫酸用量及MgO比例对絮凝性能的影响。结果表明PFMS的最佳合成条件为：反应温度30℃，n（ClO3-）∶n（Fe）=1∶6，n（H2SO4）∶n（Fe）=0.3，MgO合适的替换比例为20%～30%。用制备产品对高岭土模拟废水、染料模拟废水及城市生活污水进行了处理，结果显示：余浊75%，CODCr去除率>60%。
  
       近年来，水处理行业对无机复合絮凝剂的开发给予了高度重视〔1〕。聚合硫酸铁（PFS）是一种良好的絮凝剂。但PFS的生产包括氧化、水解和聚合等反应步骤，生产成本较高。其中，氧化步骤是造成其生产成本高的主要原因。据文献〔2〕～〔4〕报道，镁作为水处理剂具有絮体生成快，颗粒较粗，密度较大，絮体沉降速度比较快，且污泥含水量较低，除浊及脱色效果高于铝盐等优点。笔者用一种廉价的原料部分替换铁，通过减少氧化剂用量来降低成本，同时能保持产品较好的应用性能，即以硫酸亚铁和氧化镁为主要原料，制备了镁铁复合絮凝剂（PFMS），研究了制备条件及镁铁配比对其絮凝性能的影响。
  
      1·材料与方法
  
      1.1材料与仪器
  
      FeSO4·7H2O（分析纯），MgO（工业品），NaClO3（分析纯），浓H2SO4（质量分数95%~98%），高岭土，直接耐晒黑GF等。
  
      DK-S24电热恒温水浴锅，JJ-1精密增力电动搅拌器，JJ-4六联电动搅拌器，LP 2000-11型浊度仪，SP-722E分光光度计，WMX微波密封消解COD速测仪等。
  
      1.2实验方法
  
      1.2.1 PFMS制备实验
  
      在三口烧瓶中加入FeSO4·7H2O，加入适量去离子水；搅拌中一次性加入浓H2SO4；一次性加入MgO；将NaClO3溶于适量去离子水，搅拌中一次性加入；保温反应1 h，冷却至室温。
  
      1.2.2混凝试验
  
      在烧杯中分别加入500 mL废水，置于六联搅拌器上，分别定量投加PFMS及PFS。先200 r/min快速搅拌1 min使其充分混合，然后在30 r/min下搅拌10 min，静置沉降20 min后取上清液测定指标。
  
      2·结果与讨论
  
      2.1制备条件的影响
  
      通过单因素实验考察氧化剂及H2SO4用量和反应温度对PFS性能的影响，得到制备PFS的最佳条件。在最佳制备条件下，考察MgO替换比例对PFMS产品性能的影响，得出适当的MgO替换比例。
  
      2.1.1氧化剂用量对铁氧化率的影响
  
      在总铁浓度3 mol/L、反应温度30℃、n（H2SO4）∶n（Fe）=0.3的条件下，加入不同量的氧化剂（化学计量值的90%～110%），保温反应1 h，自然冷却。所得产品中铁的氧化率随氧化剂用量的变化曲线如图1所示。
  
                 

复合絮凝剂PFMS的制备及其絮凝性能研究

  
      图1结果表明，氧化反应严格按反应式进行，氧化剂损失很小。在化学计量值时，氧化率达到99.49%。进一步加大氧化剂用量，氧化率变化不大。因此，氧化剂的用量按化学计量值，即n（ClO3-）∶n（Fe）=1∶6即可。
  
      2.1.2 H2SO4用量对PFS盐基度的影响
  
      在总铁浓度3 mol/L、反应温度30℃，n（ClO3-）∶n（Fe）=1∶6的条件下，加入不同量的浓H2SO4，保温反应1 h，自然冷却，所得产品PFS的盐基度随n（H2SO4）∶n（Fe）的变化曲线如图2所示。图2结果表明，随着硫酸用量的增加，产品的盐基度逐渐降低。这是由于H2SO4用量增加时，体系的酸度随之增加，不利于铁离子水解，导致盐基度下降。当n（H2SO4）∶n（Fe）为0.3～0.4时，产品的盐基度符合国家标准（在8%～16%的范围内）。
  
                  

复合絮凝剂PFMS的制备及其絮凝性能研究

  
      2.1.3反应温度对PFS盐基度的影响
  
      在总铁浓度3 mol/L、n（ClO3-）∶n（Fe）=1∶6，n（H2SO4）∶n（Fe）=0.3的条件下，以不同温度反应1 h，自然冷却，所得产品PFS的盐基度随反应温度的变化曲线如图3所示。
  
                 

复合絮凝剂PFMS的制备及其絮凝性能研究

  
      图3结果表明，随着反应温度的升高，PFS的盐基度先略增大后减小。氧化和聚合反应放热，而水解反应吸热。当温度较低时，对水解反应不利，聚合单体生成的速率低，影响后面的聚合反应。因此，聚合度小，盐基度也小。随着温度的上升，水解反应加快，聚合反应也随之增加。超过一定值后，温度的升高同样有利于HSO4-的电离，使溶液中的H+浓度增大，从而抑制水解的进一步进行；其次，温度高也不利于放热的聚合反应，所以盐基度也呈下降趋势〔5〕。但在整个实验温度范围内，PFS的盐基度均符合国家标准。考虑到生产成本，试验温度取30℃。
  
      2.1.4 MgO替换比例对PFMS盐基度的影响
  
      在反应温度30℃下，用不同量的MgO替换FeSO4（Fe+Mg的总浓度保持3 mol/L不变），同时调整氧化剂和硫酸的用量。反应1 h，自然冷却，所得产品PFMS的盐基度随MgO比例的变化曲线如图4所示。
  
      据文献〔6〕报道，复合絮凝剂特征参数B（即盐基度）的计算方法为：B=n（OH-）/〔3n（Fe3+）+2n（Mg2+）〕。
  
                  

复合絮凝剂PFMS的制备及其絮凝性能研究

  
      图4结果表明，随着MgO比例的增大，产品的盐基度逐渐降低。在MgO替换摩尔分数30%时，产品中的沉淀明显增多，故其替换摩尔分数应≯30%。
  
      2.2 MgO比例对PFMS絮凝性能的影响
  
      2.2.1对高岭土模拟废水的处理
  
      用高岭土和自来水配成水样，静置1 h取上清液做为实验用模拟水样，浊度为136 NTU，pH=8.44。在模拟水样中投加不同MgO比例的PFMS，投加量为10 mg/L，余浊随MgO比例的变化曲线如图5所示。
  
                 

复合絮凝剂PFMS的制备及其絮凝性能研究

  
      图5结果表明，当MgO替换摩尔分数20%时，余浊略有增大。但MgO替换摩尔分数

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