聚合硅酸铝锌絮凝剂的制备及在印染废水处理的应用

郁有涛 李家亮

(山东理工大学 化学工程学院，山东 淄博255049)

絮凝剂在水处理中可以降低浊度、色度和去除多种高分子有机物等物质，无机高分子絮凝剂比传统的低分子盐类絮凝剂有着明显的优点，在技术上经历了从单一品种到多品种、从单组份到多组份、从一般功能到特殊功能或多功能发展[1]。在国内的城市污水处理厂，聚合氯化铝是技术最成熟、应用最稳定的无机高分子絮凝剂。目前具有代表性的是聚合氯化铝絮凝剂，但是铝盐生成絮体松散庞大，沉淀速度慢，去除COD能力弱，但去除色度较好；聚合硅酸聚合能力强，架桥絮凝作用好，但是聚合硅酸不稳定，容易凝胶化而失去絮凝效果。锌盐的加入可以改变絮凝剂的结构，增强絮凝剂的网状链结构，絮凝效果更好[2]，因此本研究将铝盐和锌盐引入聚合硅酸中，发挥三者离子的优势，通过正交实验优化合成条件来制备聚合硅酸铝锌絮凝剂。本文提供了一种针对印染废水处理研发的一种新型絮凝剂，并在实际印染污水处理中考察其絮凝效果。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：AlCl3·6H2O、ZnCl2、Na2SiO3·9H2O 等

仪器：PHS-3C型pH计、电子天平、KDB-ⅢCOD微波消解仪、VIS-7220G可见分光光度计等

1.2 PSAZ 絮凝剂的制备

（1）在室温下，将一定浓度的硅酸钠溶液逐滴加入到(1+1)盐酸溶液，调节硅酸钠溶液量至一定的pH，活化静止制得PSi溶液。

（2）按照一定的Al、Zn摩尔比，取定量氯化铝和氯化锌溶液于烧杯中，搅拌均匀。将一定铝锌盐混合溶液加入到熟化后的硅酸中，快速搅拌，熟化24h后即可得到PSAZ絮凝剂。

1.3 水样的来源与水质

称取一定量的亚甲基蓝染料溶于自来水中配成质量浓度为5mg/L的模拟印染废水。

潍坊某污水处理厂进水，含有80%左右印染废水，其pH为7.3，原水 COD 为 811.8mg·L-1。

1.4 混凝试验方法

用1L量筒量取模拟印染废水水样于烧杯中，加入一定量的絮凝剂，调节水样pH为7，快速搅拌1min，然后慢速搅拌10min，静止1h，取上清液进行色度的测定。

2 结果与讨论

2.1 优化制备PSAZ工艺条件

以活化时间、n(Al+Zn)/n(Si)和n(Al)/n(Zn)摩尔比、活化硅酸pH为影响因素，用亚甲基蓝溶液为模拟印染废水水样进行混凝试验，以色度去除率为评价指标，采用L9(34)正交试验因素进行实验。正交试验因素水平如表1，试验结果如表2。

从表2中可以看出，影响絮凝剂对色度去除率的因素大小为活化硅酸 pH＞n(Al+Zn):n（Si）＞活化时间＞ n(Al):n(Zn)。 通过正交分析，絮凝剂最佳合成条件是活化硅酸 pH 为 2.5，n(Al+Zn):n（Si）为 0.5，活化时间为60min，n(Al):n(Zn)为1:1。按照这种组合条件合成絮凝剂处理模拟印染废水，剩余色度最低，絮凝效果最好。

表1 正交试验因素水平

表2 正交试验方案和结果

2.2 影响絮凝剂PSAZ絮凝效果的因素分析

2.2.1 水样的pH对絮凝效果的分析

图1 水样pH值对絮凝剂去除色度率的影响

污水的pH值与絮凝剂在水中的絮凝作用有着十分密切的关系。由图1可以看出，在200ml水样中,在投加量为2ml时，PSAZ絮凝剂在pH为6-8.5时有很好的色度去除率。但是在pH小于6时，絮凝剂中的金属离子不能充分水解，造成了絮凝剂中的金属离子的电中和作用降低，导致色度的去除率下降。在pH大于8.5去除效果下降主要是因为形成絮体中的铝离子又重新溶解成为带负电的配合阴离子，导致絮凝剂吸附能力下降。当pH为6.5时其对色度的去除率达到最高。

2.2.2 絮凝剂熟化时间对絮凝效果的分析

图2 熟化时间与絮凝剂去除色度率的影响

聚硅酸具有较强的凝聚性[4]，会不断地发生自聚反应，通过加入铝、锌离子能够改变聚硅酸盐絮凝剂的自身结构，防止絮凝剂凝胶化，能够长时间保持絮凝剂的稳定和絮凝效果。由图2可以发现PSAZ随着熟化时间增加，对色度的去除效果越来越稳定，其中熟化时间为3-4天，絮凝效果最好。

2.3 两种絮凝剂对废水处理效果比较

取原水水样，在优化制备的PSAZ与PAC以及铝锌无机絮凝剂进行混凝试验，探讨四种絮凝剂在相同的投加量上对污水中COD和色度的去除效果。

2.3.1 絮凝剂对污水中COD去除效果对比

图3 絮凝剂投加量与废水COD去除率的影响

由图3可见，在200ml水样中，絮凝剂的投加量增加，COD的去除率逐渐增大。PSAZ总体的去除效果较好，但是在低投加量时去除效果差，主要是因为大量聚合硅酸的加入导致絮凝剂中金属离子的电中和能力下降，造成絮凝效果差，但是随着投加量的增大，影响絮凝剂电中和能力减弱，架桥网捕能力增强，COD的去除能力增强。其中ZnCl2效果最差，PAC与AlCl3相似，但是停留12小时后，两者皆出现反浑现象，主要是废水中S2-与铝离子生成Al2S3沉淀，短时间变清，时间增长，Al2S3发生水解造成变浑现象，而PSAZ由于含锌离子没有出现反浑的现象[5]。

2.3.2 对污水中色度去除效果对比

图4 絮凝剂投加量与废水色度去除率的影响

有图4可知，PSAZ、PAC和AlCl3对废水色度的去除性能相似，ZnCl2的去除率较差，但是PSAZ去除效果最佳，去除率最高可达97.6%。这是由于铝、锌离子的加入，改变了絮凝剂的结构，使聚硅酸絮凝剂有更好的网状结构，增强了电中和和网捕架桥能力，进而增强了絮凝剂对废水色度的去除能力[6]。

3 结论

1）通过正交试验结果表明，絮凝剂PSAZ的最佳制备条件为：活化硅酸 pH 为 2.5，n(Al+Zn):n（Si）为 0.5，活化时间为 60min，n(Al):n(Zn)为 1:1。

2）水样的pH值和絮凝剂的熟化时间对絮凝剂的絮凝效果有密切的影响，对于PSAZ絮凝剂，当处理水样pH为6-8.5，絮凝剂熟化时间为3-4天时，对水样色度的去除效果最佳。

3）对潍坊某污水处理厂印染废水处理效果说明，通过优化合成的PSAZ絮凝剂发挥了各自离子优点，在处理实际废水水样的性能要比PAC以及铝锌无机盐絮凝剂要好。

［1］朱文喜，于军，魏建华，等.工业水处理剂的研究现状与方向[J].武钢技术，2006，45（2）：50-53.

［2］范文玉，仇兴华，赵树发，等.聚硅酸铝锌絮凝剂的制备及应用研究[J].沈阳化工学院学报，2006，20（1）：16-19.

［3］常青.水处理絮凝学[M].2 版.化学工业出版社，2011：51-58.

［4］Gao B Y，Yue Q Y,Wang B J,et al.Poly-aluminum-silicate-chloride(PASiC)-a new type of composite inorganic polymer coagulant[J].Colloids and Surfaces A：Physicochemical and engineering Aspects，2003，229：121-127.

［5］李凡修，李克华，李中宝.聚合硅酸硫酸铝锌处理高含硫含油污水试验研究[J].长江大学学报，2007，4（1）：55-59.

［6］Fu Ying，Zhang jichao，Wang Yanzheng，et al.Resource preparation of poiy-Al-Zn-Fe(PAZF)coagulant from galvanized aluminum slag：Characteristics,simultaneous removal efficiency and mechanism of nitrogen and organic matters[J].Chemical Engineering Journal，2012，203：301-308.