不同堿化度制備的聚合硅酸鋁鐵絮凝劑的制備及性能研究

不同堿化度制備的聚合硅酸鋁鐵絮凝劑的制備及性能研究

作為一種新型的抗凝劑，聚硅酸鋁鐵（pafsc）作為一種新的抗凝劑，它保持了聚硅酸鋁各個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)，克服了聚硅酸鋁（pac）處理后水樣中的部分鋁濃度高、聚氯化鐵（pz）的穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。因此，pafc在水的混合和沉淀處理中具有pac和pz的特性。而絮凝劑的絮凝效果的好壞與鐵鋁的形態(tài)分布有密切關(guān)系,因此探討PAFSC中鋁和鐵的形態(tài)分布具有重要的實(shí)踐意義。迄今為止,用于研究鐵的水解聚合形態(tài)的方法有:化學(xué)分析、pH值測(cè)定、超濾、Ferron逐時(shí)絡(luò)合比色等,其中Ferron逐時(shí)絡(luò)合比色法是國(guó)內(nèi)外常用的方法之一。筆者首先利用共聚和復(fù)合兩種工藝制備了PAFSC,然后通過(guò)Fe-Ferron逐時(shí)絡(luò)合比色法對(duì)PAFSC中鐵的形態(tài)分布及轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行分析研究,探討了制備工藝及不同n(Al):n(Fe)∶n(Si)摩爾比對(duì)PAFSC中鐵的形態(tài)分布及轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響,為后續(xù)鐵硅混凝劑的研制開(kāi)發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。1實(shí)驗(yàn)部分1.1計(jì)及常規(guī)儀器儀器:UV-754型分光光度計(jì);pHS-2型酸度計(jì)及常規(guī)儀器。試劑:AlCl3·6H2O,FeCl3·6H2O,Na2CO3,Na2SiO3,鹽酸,NaAc和Ferron試劑(以上試劑均為分析純)。1.2堿化度b和nalnfensi摩爾比對(duì)pafsc產(chǎn)品濃度的影響以FeCl3·6H2O,AlCl3·6H2O,無(wú)水碳酸鈉,鹽酸和硅酸鈉為原料在一定工藝條件下制備出不同堿化度B和n(Al)∶n(Fe)∶n(Si)摩爾比的PAFSC產(chǎn)品,產(chǎn)品濃度以Fe3+計(jì)。1.3ferron試劑于50mL容量瓶中加入2mL的1∶1鹽酸、4mL20%的NaAc溶液、5mL0.2%的Ferron試劑,振蕩混勻。準(zhǔn)確量取一定量的待測(cè)鐵溶液加入容量瓶中并立即開(kāi)始計(jì)時(shí),用去離子水稀釋至刻度,充分混勻后以不含鐵的試劑空白作參比,在600nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度,并逐時(shí)記錄。1.4線(xiàn)性關(guān)系的考察用酸化的鐵的標(biāo)準(zhǔn)溶液繪制Fe-Ferron反應(yīng)的吸光度與濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。其中鐵的濃度為10-5~10-4mol/L(在該濃度范圍內(nèi),吸光度A與鐵的濃度C(Fe3+)有良好的線(xiàn)性關(guān)系)。顯色后以空白樣為參比,于600nm波長(zhǎng)下測(cè)定Fe-Ferron溶液的A值;以鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo),以相應(yīng)的A為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)(見(jiàn)圖1),圖1中曲線(xiàn)關(guān)系為:A=-0.00108+0.0451C相關(guān)系數(shù)R=0.99962A=?0.00108+0.0451C相關(guān)系數(shù)R=0.999621.5鐵的形態(tài)組成取2mL(1∶1)鹽酸,4mL20%的NaAc溶液、5mL0.02%的Ferron溶液于50mL容量瓶中,加去離子水稀釋至刻度,用微量進(jìn)樣器將大約7μL的0.3mol/L樣品注入比色液中,即刻計(jì)時(shí),并迅速混合均勻,立即在UV-754分光光度計(jì)上于600nm波長(zhǎng)處逐時(shí)測(cè)定吸光度的變化,典型的Fe-Ferron逐時(shí)絡(luò)合比色工作曲線(xiàn)如圖2。結(jié)合工作曲線(xiàn)和鐵的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn),可定量求出樣品中的Fea,Feb和Fec形態(tài)所占的摩爾分?jǐn)?shù)。根據(jù)不同鐵的水解形態(tài)與Ferron試劑配合的不同速率,可將鐵的形態(tài)區(qū)分為3部分,即Fea,Feb和Fec。Fea是指瞬間與Ferron試劑反應(yīng)的鐵,包括自由鐵離子及鐵的單核羥基配合物;Feb為反應(yīng)進(jìn)行3h后,吸光度曲線(xiàn)接近飽和的水平線(xiàn)時(shí),這一階段與Ferron試劑反應(yīng)的鐵的形態(tài),Feb代表一系列鐵的多核羥基配合物或稱(chēng)低聚合度鐵的無(wú)機(jī)高分子;Fec代表鐵的高聚物形態(tài)。3種形態(tài)的量之間的關(guān)系式:n(Fec)=n(FeΤ)-n(Fea)-n(Feb)n(Fec)=n(FeT)?n(Fea)?n(Feb)式中:n(Fea),n(Feb),n(Fec),n(FeT)分別為PAFSC樣品中Fea,Feb,Fec形態(tài)的量和各種形態(tài)鐵的總量,mol。2結(jié)果與討論2.1鐵的形態(tài)分布圖3,4表示堿化度為2.0的共聚法制備的PAFSC中的Fea,Feb和Fec摩爾分?jǐn)?shù)的變化情況。其中圖3表示在固定鋁和硅含量時(shí),改變PAFSC(共)中Fe的摩爾數(shù)時(shí)鐵的形態(tài)分布;圖4表示在固定鋁和鐵的含量時(shí),改變PAFSC(共)中Si的摩爾數(shù)時(shí)鐵的形態(tài)分布。表1列出了不同摩爾比的PAFSC中鐵的形態(tài)分布、有效濃度及隨熟化時(shí)間的變化情況,從總體上看,在相同熟化時(shí)間時(shí),PAFSC中Feb形態(tài)所占的摩爾分?jǐn)?shù)最多,Fec次之,Fea形態(tài)所占的摩爾分?jǐn)?shù)最少,即鐵主要是以多核配合物的形式存在。2.2鐵的含量對(duì)fec摩爾分?jǐn)?shù)的影響由圖3和表1可以看出,在鋁和硅含量一定的情況下,隨著鐵的含量增加,Fea的摩爾分?jǐn)?shù)變化不大,其數(shù)值呈緩慢降低的趨勢(shì);而Feb的摩爾分?jǐn)?shù)下降幅度較大,且隨著鐵的含量增加,其下降幅度越來(lái)越大;與Feb的變化趨勢(shì)相反的是,Fec的摩爾分?jǐn)?shù)則呈升高的趨勢(shì),且升高的幅度隨著鐵的含量增加而增大。這說(shuō)明隨著鐵的含量增加,在PAFSC中,Fea和Feb逐漸向Fec轉(zhuǎn)化,這是由于鐵與羥基和聚硅酸的配合能力比鋁強(qiáng),所以隨著鐵的含量增多,越來(lái)越多的鐵與羥基和聚硅酸形成了高聚合度的聚合物。由此可見(jiàn),鐵的存在有助于提高產(chǎn)品的聚合度,但隨著聚合度的增大,產(chǎn)品的穩(wěn)定性將會(huì)下降,因此在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定制備工藝。2.3硅的含量和添加量由圖4和表1可以看出,硅的含量大小對(duì)鐵的形態(tài)分布也有一定的影響。對(duì)于B為2.0的PAFSC而言,在鋁鐵的含量一定的情況下,隨著硅的含量增加,Fea和Feb的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸減少,而Fec的摩爾分?jǐn)?shù)則逐漸增加,且隨著硅的含量增加,其增加的趨勢(shì)越來(lái)越小。這是由于隨著硅的含量增加,與硅結(jié)合的鐵增加,當(dāng)加入Ferron試劑后,體系中存在Si-Fe和Fe-Ferron的配合平衡,而Si-Fe結(jié)合能力較強(qiáng),在平衡中占優(yōu)勢(shì),與聚硅酸結(jié)合的鐵與Ferron試劑反應(yīng)慢,故與Ferron試劑結(jié)合的鐵減少,表現(xiàn)出Feb摩爾分?jǐn)?shù)的降低,而Fec的摩爾分?jǐn)?shù)增加。隨著聚硅酸的繼續(xù)增加,溶液中的聚硅酸將過(guò)量,因此此時(shí)再增加聚硅酸的含量則對(duì)鐵的形態(tài)分布的影響越來(lái)越小。2.4熟化時(shí)間和硅的含量對(duì)pafsc/h從表1可以看出:PAFSC中鐵的形態(tài)分布與熟化時(shí)間有很大關(guān)系,對(duì)于制備工藝、B和n(Al)∶n(Fe)∶n(Si)摩爾比均相同的PAFSC來(lái)說(shuō),在相同的熟化時(shí)間時(shí),PAFSC中Fea的摩爾分?jǐn)?shù)最少,Feb的摩爾分?jǐn)?shù)最多,且隨著熟化時(shí)間的增大,則Feb的摩爾分?jǐn)?shù)會(huì)逐漸降低,Fec的含量則逐漸升高,即Feb形態(tài)逐漸向Fec形態(tài)轉(zhuǎn)化。由此可以看出PAFSC中鐵的形態(tài)轉(zhuǎn)化是動(dòng)態(tài)變化的,達(dá)到平衡需要一個(gè)過(guò)程,但由于在水處理中,起主要絮凝作用的是Feb形態(tài),因此在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)考慮熟化時(shí)間對(duì)處理效率的影響。由表1還可以看出,PAFSC的制備方法不同,則硅對(duì)鐵的形態(tài)分布的影響不同,具體來(lái)說(shuō),對(duì)于堿化度為2.0的PAFSC體系,當(dāng)硅的含量大時(shí),PAFSC(復(fù))中的Feb摩爾分?jǐn)?shù)大于PAFSC(共)中的Feb摩爾分?jǐn)?shù);當(dāng)硅的含量小時(shí),PAFSC(共)中的Feb摩爾分?jǐn)?shù)大于PAFSC(復(fù))中的Feb摩爾分?jǐn)?shù)。所以,在實(shí)際工作中,要根據(jù)所需的Feb的摩爾分?jǐn)?shù)來(lái)確定制備的方法。3硅含量對(duì)pafsc-復(fù)合膜摩爾分?jǐn)?shù)的影響通過(guò)對(duì)PAFSC中鐵的形態(tài)分布的測(cè)定,發(fā)現(xiàn)硅和鐵的含量、熟化時(shí)間和制備工藝均對(duì)鐵的形態(tài)分布有一定的影響,得出了以下結(jié)論:a.隨著熟化時(shí)間的增大,Fec摩爾分?jǐn)?shù)越來(lái)越多,Feb摩爾分?jǐn)?shù)相應(yīng)降低,即Feb形態(tài)逐漸向Fec形態(tài)轉(zhuǎn)化。制備工藝對(duì)Feb形態(tài)的影響與PAFSC中硅的含量有很大關(guān)系,硅含量少時(shí),PAFSC(共)中Feb摩爾分?jǐn)?shù)較多,而當(dāng)硅含量多時(shí),PAFSC(復(fù))中Feb摩爾分?jǐn)?shù)多,硅的含量越多,PAFSC中Feb的摩爾分?jǐn)?shù)越少,Fec的摩爾分?jǐn)?shù)越多。b.在PAFSC中,在n(Al)∶n(Si)的比例一定的情況下,隨著鐵的含量增加,Feb的摩爾分?jǐn)?shù)越來(lái)越小,Fec的摩爾分?jǐn)?shù)越來(lái)越高,且升高的幅度隨著鐵的含量增加而增大。這是由于鐵與羥基和聚硅酸的配合能力比鋁強(qiáng)的原因造成的。c.對(duì)于堿化度為2.0的PAFSC而言,在鋁鐵的含量一定的情況下,隨著硅的含量增加,Fea和Feb摩爾分?jǐn)?shù)逐漸減少,而Fec的摩爾分?jǐn)?shù)則逐漸增加