稀土在制备水处理絮凝剂中应用

廖柳芳

(佛山市高明区环境保护科学研究所,广东佛山528500)

稀土在制备水处理絮凝剂中应用

廖柳芳

(佛山市高明区环境保护科学研究所,广东佛山528500)

介绍了稀土元素的化学性质,在制备水处理絮凝剂方面的研究和应用情况。

稀土;絮凝剂;应用

水处理中常用的絮凝技术,是一种处理效率高,经济而又简便的物化处理技术,它既可以去除原水的浊度和色度等感官指标,又可以去除各种有毒有害污染物。絮凝的主要对象是废水中细小的悬浮颗粒和胶体颗粒,这些颗粒很难用自然沉淀方法使之沉淀,进而从水中分离出去。絮凝技术是通过向废水中投加化学药剂,使水中胶体颗粒和悬浮颗粒脱稳,形成易于分离的絮状物质。絮凝剂是重要的环境保护材料,在合理用水和环境保护方面发挥着重要作用[1]。

目前,絮凝剂正趋向高效、低毒、无公害、多功能、复合化的绿色产业方向发展。为了更好地按照可持续发展战略要求,推动我国水处理药剂的发展,充分发挥我国稀土资源的优势,近年来,我国已对稀土无机物、稀土有机物复合絮凝剂进行了研究。

1 稀土元素的性质

稀土元素(REE)指周期表中ⅢB族中的镧系元素(La～Lu)和同族的钪(Sc)、钇(Y)元素。稀土元素是典型的金属元素,它们的金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属元素,而比其它金属元素活泼。在17个稀土元素当中,按金属的活泼次序排列,由钪、钇、镧递增,由镧到镥递减,镧元素最活泼。

由于稀土元素原子有特殊的电子层结构,使它们的化合价出现了变价,而不同价态的稀土比正常价态稀土具有特殊的性能和用途,这引起了科学家对稀土元素越来越大的研究兴趣。稀土元素的各原子极易与其它元素的原子形成化合物,能形成稳定的氧化物、卤化物、硫化物,且易溶于盐酸、硫酸和硝酸中。

近年来,我国科技工作者应用稀土特有的性质制备各种催化剂、稀土型吸附剂和混凝剂等水处理材料,在处理各类工业废水中取得了较好的效果。稀土在制备水处理絮凝剂中的应用研究,越来越得到重视。

2 稀土复合絮凝剂的研究与应用

2.1 稀土-甲壳素复合絮凝剂的研究

甲壳素作为新型絮凝剂,在处理食品加工厂的废水,回收蛋白质作为饲料方面已被大量采用。为了提高甲壳素的絮凝效果,减少用量,降低成本,杨万政等[2]对稀土-甲壳素复合絮凝剂进行了研究。从絮凝机理可知,甲壳素的絮凝主要是网捕作用和吸附架桥作用,而无机金属离子的絮凝机理则主要是压缩双电层作用和吸附电中和作用。之所以把稀土和甲壳素进行复配,就是为了使它们发挥协同作用,最大限度地起到絮凝的效果。

先将一部分的甲壳素在冰醋酸溶液中溶解,配成1g/L的甲壳素溶液。将混合稀土(LaC13(30%)Ce-Cl3(70%))和甲壳素按质量比为200∶1的比例复配,其所产生的絮凝效果最好。实验结果表明稀土-甲壳素复合絮凝剂对水中悬浮物有较好的去除效果,去浊率能达到97.93%以上,是一种优良的絮凝剂。另外,稀土化合物与甲壳素复配之后,稀土和甲壳素发生了协同作用和复配增效的作用,具有较好的絮凝效果,可节省絮凝剂的用量,由此可以大大节省水处理的成本。

2.2 稀土复合混凝剂(PACRES)

贺忠翔等[3]研制的稀土复合混凝剂是一种以聚合氯化铝为主要成分,并含有稀土、硫等元素的复合混凝剂。将AlCl3·6H2O配成水溶液,在室温下加入稀土碳酸盐粉末(工业稀土碳酸盐混合物,主要成分为Sm2(CO3)3和Gd2(CO3)3),不断搅拌下分批加入一定量的CaO调整盐基度,搅拌1h后抽滤得液体,待它熟化3h,得到的产品是稀土复合混凝剂(PACRES)。

稀土离子存在于PAC溶液中,促进了聚铝的水解聚合,使其分子更大,带正电荷更多,增强了对负电胶体的电中和及架桥能力,浊度去除率增大。故稀土复合混凝剂(PACRES)较PAC具有明显的优势,COD去除效果好于PAC,特别是在处理城市污水中去除总磷时,用量较PAC大大降低;在低投药量下,PACRES的浊度去除率也有了很大地提高,去除率较PAC提高近1倍;稀土复合混凝剂稳定性好,可长期贮存,由于稀土占整个混凝剂的质量分数很低,其生产成本仅比PAC增加10%左右,而其用量降低30%～50%,使废水处理费用下降[4]。

2.3 稀土渣絮凝剂

冯秀娟等[5]采用稀土废渣制备絮凝剂,处理印染废水取到了很好的絮凝脱色效果。影响絮凝剂脱色效果的最主要因素是盐酸浓度,改性稀土渣与聚羟基溶液体积比的影响次之,酸改性时间的影响最小。首先对稀土废渣进行改性处理,采用的盐酸浓度为15%,酸改性时间为10h。与原稀土渣相比,经改性处理而制备的絮凝剂,稀土废渣的结构发生了变化,由较密实的片状变成了疏松的中空纤维胶状。另外,该絮凝剂表面还有胶凝物附着,经分析该物质是由镁盐、铝盐等形成的复合羟键胶凝物,是絮凝剂的有效絮凝成分。

取一定量的改性稀土渣,按体积比为1∶5加入聚羟基铝离子溶液,充分搅拌混合反应后,滤出液体并烘干、破碎、筛分而制得成品。经研究发现,稀土渣絮凝剂的作用机理主要体现在两方面:一是改性稀土渣与聚合羟基铝离子发生反应后所生成络合物的羟基吸附作用;二是多羟基胶状物复合盐(以铝盐、镁盐、铁盐、钙盐为主)的絮凝作用。其中,加入稀土渣絮凝剂的水样中,形成矾花的速度快,矾花大,沉降时间短,去浊率高,有较好的脱色效果,脱色率高达96%。

2.4 稀土硝酸盐催化型聚氯化硫酸铁

邝钜炽[6]用稀土硝酸盐与聚合氯化硫酸铁(PFSC)制备了一种新型高效的稀土催化型聚氯化硫酸铁絮凝剂(RE-PFSC),稀土硝酸盐对PFSC有一定助凝作用(RE-PFSC),而对PFSC聚合反应所起的催化作用更为显著,形成的聚合物REPFSC絮凝性能有较大提高。当稀土硝酸盐/PFSC=1.2～2.2时,絮体生成快,颗粒密度大,沉降速度快,COD去除率高,处理印染废水效果优于PFSC。

3 稀土复合絮凝剂的混凝机理

稀土复合絮凝剂具有絮凝剂的混凝特性[7],即能以其较稳定的线状或分枝状长链结构网直接吸附颗粒物,并进行电中和反应及粘结架桥的混凝作用,使胶粒凝聚为大的混凝体。而稀土离子的加入,增加阳电荷数,强烈吸附负电荷胶粒,中和部分电荷,减少静电斥力,容易吸附颗粒,促进混凝体的生成使水解完全。稀土与絮凝剂的聚合体发生水解或配聚时,使聚合体分子变大,同时可连接聚合体与稀土聚合体起到协同混凝作用,增加了正电荷量,增强了静电粘附能力和吸附架桥能力;稀土离子生成无定形新生态的沉淀体,形成更大的絮凝核心和巨大的网状表面结构,胶体颗粒物更易被粘附网捕在沉淀物中而迅速卷扫沉淀。

从稀土元素结构与性质可看出:水溶性稀土化合物如氯化稀土等具有无机盐混凝剂基本特征,所以单独使用稀土处理废水具有较好的混凝效果。在铝系絮凝剂或铁系絮凝剂中加人极少量稀土可以改善性能,促进水解聚合,起到助凝作用和协同混凝作用,絮凝效果更佳。

4 结语

絮凝剂是生活用水与废水处理中一种不可缺少的化学药剂,在为城镇居民提供安全卫生的生活用水和废水处理中起着重要作用。稀土与金属盐复配得到的化合物,是一类新型无机高分子复合絮凝剂,如稀土-甲壳素的复合絮凝剂、稀土复合混凝剂(PACRES)、稀土渣絮凝剂、稀土硝酸盐催化型聚氯化硫酸铁。该类絮凝剂分子量高、絮凝性能优异、成本低,可有效处理难降解有机物,可以广泛应用于各种废水处理。因此,随着环境污染治理力度的加大,为适应各类水质净化处理需求,稀土复合型絮凝剂的研制已成为热点,将是非常有发展前景的水处理药剂。

[1]姚重华.混凝剂与絮凝剂[M].北京:中国环境科学出版社,1991.

[2]杨万政,蒲维维,王捷.稀土—甲壳素的复合絮凝剂的研究[J].稀土,2005,26(3).

[3]贺忠翔,狄晓威.稀土复合混凝剂的制备及其在城市污水处理中的应用[J].稀土,2007,28(4).

[4]魏玉娟,朱俊萍,尹云芳,等.稀土复合混凝剂的制备与应用[J].河北科技大学学报,2003,24(2).

[5]冯秀娟,朱易春,匡敬忠,等.稀土渣絮凝剂的制备及其在印染废水中的应用[J].中国给水排水,2008,24(23).

[6]邝钜炽.稀土硝酸盐催化型聚氯化硫酸铁的絮凝实验研究[J].稀土,2007,28(1).

[7]M.S.Tsai.The study of formation colloidal silica via sodium sili2 cate[J].Materials Science and Engineering,2004,106(3).

Application of Rare Earth on Preparation of Water Treatment Flocculants

L IAO Liu-fang
(Gaoming District Environmental Protection Research Institute of Foshan City,Foshan Guangdong 528500 China)

The chemical properties of rare earth element are introduced,and the preparation of water treatment flocculants by using the rare earth is summarized.

rare earth;flocculant;application

X703

A

1673-9655(2010)03-0012-03

2009-12-31

廖柳芳(1976-),女,广东高明人,佛山市高明区环境保护科学研究所工程师,研究方向:环境污染治理与评价。