聚硅酸氯化鋁絮凝劑的研制及性能研究
摘要：聚硅酸氯化鋁(PASC)是一種新型的無機高分子絮凝劑。其 研究 思路是，帶負電的聚硅酸具有較高的相對分子質量，對水體中的膠體顆粒具有很強的吸附能力;而鋁鹽在水中可以水解形成系列帶正電的荷的水解羥基鋁離子，具有較強的電中和能力。將二者復合成一種產品，可使其成為同時具有電中和作用及吸附架橋能力的無機高分子混凝劑。
關鍵詞：聚硅酸氯化鋁(PASC) COD 絮凝劑 印染廢水;
Determined its best preparation senate element is: SiO2%=2.0%, AL/Si =1.5, pH= 4-5, the temperature, the stirs time and the intensity respectively is: 70oC, 60min, 1000r/min. To printing and dye the treatment of the waste water, the experimental result indicates , the most suitable operation parameter is: Throw it with measuring 255mg/l, PH =8. 100r/Min stirs 5min. Best COD except rate is 65.22%, the best turbidity except rate is 99.39%. Compares the polymerization aluminum chloride (PAC) COD removEing rate is 54.54%, best turbidity removEIng rate is 99.12%, its flocculation effect fairly good, the cost is lower than PAC. Has the certain significance to the actual water treatment
Study on the Preparation and Flocculating Performance Polysilicic-Aluminum Chloride
Students: Zou Wei yangtz university of chemistry and environmental project institute,
counselor: Dai Jie, chemistry of university of the Changjiang River and environmental project institute.
Abstact: Polysilicic-Aluminum chloride (PASC) is a new type macromolecule of flocculants, Its research mentality is, belt negative electricity gathers the silicic acid to have the higher relativemolecular mass, has the very strong adsorptive capacity to in thewater body colloid pellet; But the aluminum salt may the hydrolisis form series belt positive electricity Holland in the water the hydrolisis hydroxy-aluminium ion, has in a stronger electricity and the ability. Duplicate synthesizes one kind of product the two, may cause it to become simultaneously has the electricity neutralization and the adsorption bridging ability inorganic high polymer flocculating agent. This experiment applies the sodium silicate, the aluminum chloride makes under the certain condition gathers the silicic acid aluminum chloride (PASC). And to its stability, SiO2% content,AL/A Si mole of ratio, the PH value, stir the time and the intensity carries on the research analysis, carries on the decolorization to the printing waste water, eliminates , except the COD processing, the experimental result indicated, most is suitable the operationparameter is: Throws increment 2.5ml/200ml, PH=8, 100r/Min stirs 5min. Best COD except rate is 65.22%, the best turbidity except rate is 99.39% best chromaticity except rate is 98.53%. Compares the similar flocculant polymerization aluminum chloride (PAC) its flocculation effect fairly good, certain aspects must surpass PAC, the cost are lower than PAC. Has the certain significance to the actual water treatment.
Key words: Polysilicic-Aluminum chloride (PASC); COD;flocculant; Printing wastewater
1. 前 言：
聚硅酸鹽是近年來 發展 起來的一類新型的無機高分子絮凝劑，它是在活化硅酸及傳統的鋁鹽﹑鐵鹽等無機絮凝劑的基礎上發展起來的聚硅酸與金屬鹽的復合物，用于廢水處理時，同時具有電中和作用和吸附架橋作用，因而絮凝效果較好。且其原料來源廣泛，價格低廉，安全無毒，已成為 目前 國內外無機高分子絮凝劑研究領域內的一個熱點[3]。
本實驗主要研究 影響 聚硅酸氯化鋁絮凝劑絮凝性能和穩定性的因素。為 工業 生產及 應用 提供可行性報告。
工業廢水的處理 方法 有很多，有生化法﹑絮凝沉降法﹑電滲析法﹑離子交換法和化學氧化法等。其中絮凝沉降法是應用廣，成本低的常用處理方法，它往往決定著后續流程的運行，最終出水質量和成本費用，是一種 經濟 又簡便的水處理技術[9]。而高效的絮凝沉降過程關鍵在于恰當的選擇和投加性能優良的絮凝劑。
1.1絮凝沉降過程機理：
廢水中所含的懸浮物和溶膠其大小在10-9～10-3m范圍內。由于這些微粒不是以分子狀態分散到介質水中的，所形成的體系仍具有很大的界面，屬于熱力學不穩定體系，但這些顆粒物自動聚集由小顆粒變成大顆粒從分散介質中沉淀出來的速率卻很慢，其主要原因之一是懸浮物及溶膠表面是帶電的，由于顆粒間同性電相斥而不相互聚集。投加絮凝劑是懸浮體或溶膠聚集與介質分開。這種處理叫絮凝分離。絮凝過程分為兩個部分：一，凝聚作用：在膠體體系中添加化學藥劑，使溶膠相互接觸脫穩而聚結成一定粒徑的聚集體;二，絮凝作用：已經脫穩的聚集體由于碰撞、化學沉積、共同沉淀等作用進一步聚集成絮狀體(礬花)，成為可借重力下降的粒子。
根據DLVO 理論 ，用膠體顆粒間的吸引能和排斥能的相互作用產生的相互作用能來解釋膠體的穩定性和產生絮凝沉淀的原因。膠體的脫穩的作用機理主要是以下幾個方面。
膠體的捕集：在化學處理中，為了捕集膠體，要使用大良的絮凝劑。通常為鋁鹽和鐵鹽。在水溶液中鋁鹽和鐵鹽無機絮凝劑發生水解，形成水合金屬氫氧化合物高分子。其高分子的聚合度取決于水溶液的PH值和溫度。
雙電層壓縮：膠體是帶電的，但整個溶液是呈電中性的。故介質中應有相應的反離子存在。表面吸附的離子于溶液中的反離子構成雙電層。廢水中的電解質能壓縮膠體顆粒的雙電層，中和顆粒表面電荷。當鹽分達到一定濃度時雙電層厚度變小，兩個膠體顆粒相互接近，產生聚集和絮凝沉淀。 膠體雙電層的壓縮能使膠體顆粒脫穩，產生絮凝沉淀。通過沉降分離可以除去固體的絮凝物。
電中和作用：電中和作用是指膠體顆粒物的z電位降低到足以克服DLVO理論中說的能量障礙而產生絮凝沉淀的過程。膠體顆粒表面的電荷被中和時，膠體顆粒之間距離縮小，在范德華力的作用下，膠體顆粒間的相互作用能處于第一最小能量值結果形成穩定的絮凝體。電荷作用與雙電層的壓縮是不同的，電荷中和作用是第一最小能量的吸引力作用的結果，這個作用力是很強的;而雙電層的壓縮是第二最小能量作用的結果，比較弱。前者產生的絮凝體堅實、體積小、不能再變為膠體，后者作用力產生的絮凝體體積龐大疏松，能夠在變回膠體而消失。其作用機理是，加入的化學藥劑(絮凝劑)被吸附在膠體顆粒表面上，是膠體顆粒表面電荷中和。膠體顆粒表面電荷不僅可以降為零而且還可以帶上相反的電荷。由于電荷的中和作用而產生吸附，導致膠體顆粒與水界面之間的改變而脫穩沉降。
吸附架橋：架橋(或橋聯)是指溶液中膠體和懸浮物顆粒通過有機或無機高分子絮凝劑架橋聯結形成絮凝體，而沉降下來，橋聯的過程即為絮凝過程。橋聯可以分為兩種類型：(1)帶負電荷的膠體顆粒與帶正電荷的陽離子絮凝劑的橋聯。(2)帶相同電荷的物質的橋聯.
這一原理考慮到膠體微粒對高分子物質具有強烈的吸附作用而提出來的。當廢水中加入少量的高分子聚合物分子即被迅速吸附結合在膠體表面上，開始時高聚合物分子的鏈節吸附在一個微粒表面上，該分子未被吸附的一端就伸展到溶液中去，這些伸展的分子鏈節又會被其他的微粒所吸附，于是形成一個高分子鏈狀物同時又吸附在兩個膠體微粒表面的情況。各微粒依靠高分子的連接作用構成某種聚集體結合為絮狀物。由高分子架橋形成的聚集體中，各微粒并未到達直接接觸，而且也未達到電中和脫穩狀態。因此吸附架橋實質上是一種聚合物過量狀態，膠體微粒將被過多吸附的聚合物分子所包圍，反而會失去同其他微粒吸附架橋的可能性，處于穩定狀態。因此，投加高分子聚合物并不是越多越好，而是應該適量。
低分子電解質以基于雙電層壓縮作用原理產生凝聚為主。高分子聚合物則以吸附架橋聯結作用產生凝聚為主。通常把通過雙電層作用而使膠體顆粒相互聯結過程的凝聚和通過高分子聚合物的吸附架橋作用而使膠體顆粒相互聚合過程的絮凝總稱為混凝。
1.2聚硅酸氯化鋁的發展現狀及趨勢：
絮凝過程既上最古老的水質凈化處理方法，又是當今眾多水處理工藝技術中應用最廣泛，最普遍的單元操作工藝技術絮凝過程作為眾多處理工藝流程中不可缺少的前置關鍵環節，其效果的好壞往往決定后續工藝流程的運行工況、最終出水質量和成本費用，因此它始終是水處理工程中的重要研究開發領域。
近一個世紀以來，人們對化學絮凝作用機理及工藝過程進行了大量深入研究和闡述。混凝技術與理論研究已經從定性闡述發展到半定量或定量模型及模式，并已建立了各種化學條件下顆粒的脫穩與傳輸模式的數學方程。混凝工藝技術的使用范圍、出水水質及其處理效能方面都得到了顯著的提高與發展。然而，隨著工業及經濟的高速發展，水環境污染狀況的不斷加劇，飲用水質微污染 問題 也日趨嚴重。這不僅加劇了現有水處理廠的凈化難度，同時也暴露了現有水處理的不適應性。因此當前亟需強化水處理工藝過程，研究開發新的水處理工藝技術。強化絮凝過程需要提高兩個方面的技術，一是發展新型高效能絮凝劑，另一方面是發展高效能絮凝反應器，技術是取得突破。同時做到相互協同發展，進而將兩個方面的優勢有機的結合起來，建立新型絮凝工藝技術系統，從整體上改變水處理絮凝過程的質量和面貌。
聚硅酸氯化鋁是在聚硅酸及鋁鹽絮凝劑基礎上發展起來的一種復合型無機高分子絮凝劑，它同時具有電中和作用和吸附架橋作用。由于具有混凝效果好，處理低溫、低濁水有特效，價格便宜，在水中的殘留鋁底等特點。引起水處理界的極大關注。聚硅酸氯化鋁(PASC)的制備方法簡單，但由于它的穩定性較差，限制了它的使用和推廣。
聚硅酸鋁鹽的開發與研制在國外試始于20世紀80年代末期，在國內始于90年代初期。該類混凝劑研制的思路是基于帶負電的聚硅酸具有較高的相對分子質量，對水體中的膠體顆粒具有很強的吸附能力;而鋁鹽在水中可以水解形成系列帶正電的荷的水解羥基鋁離子，具有較強的電中和能力。把二者復合成一種產品，可使其成為同時具有電中和作用及吸附架橋能力的無機高分子混凝劑[4]。
加拿大鋁土公司生產的硫硅聚鋁是一種流動性很好的絮狀物，保存一年仍然有很好的絮凝性。國內高寶玉等人對這中體系進行過紅外測試，電鏡攝像 分析 。但對其酸根離子的作用機制和體系的穩定性沒有作出判定。唐永星等人合成了穩定性較好的硫硅聚鋁和氯硅聚鋁，進行了光譜分析，表明SO42-、HSO4- 和Cl-對硅聚鋁離子的配位影響不同，從而荷移遷移產生差異。這種結構上的變化決定了不同體系中硅聚鋁膠聯性和網狀性，從而具有不同的穩定性。從而得到了這樣的結論：1、Cl-離子對硅聚鋁膠體離子有配位作用，SO42-和HSO4-對硅聚鋁膠體離子無配位作用。2、適宜的Cl-離子對硅聚鋁膠體離子有穩定作用;SO42-和HSO4-對硅聚鋁膠體離子無穩定作用，超過一定濃度有聚沉作用。由其提出的氯硅聚鋁的制備方法是： 用新制的Al(OH)3加入到三氯化鋁的水溶液中調整PH=3澄清得堿化度50%的氯化聚鋁，按Al2O3/SiO2為1.5的比例加入酸性聚硅，攪拌得一淡黃色熒光的半透明膠體，放2個月后測定使用。
山東大學高寶玉等較為系統地研究了聚硅氯化鋁的制備和性能，并將其應用于煉油廠含油廢水的處理。由其提供的聚硅氯化鋁(PASC)的制備方法:
1.復合法 取一定量的0.25mol/L的AlCl3·6H2O溶液和一定量的去離子水于燒杯中，采用Dosimat型精密微量自動滴定儀微量滴加0.5mol/lNaOH溶液(滴堿速度為0.05ml/min)，制備鋁濃度(Alt表示)為0.10mol/L，堿化度B=2.0的PAC，然后立即向PAC溶液中加入一定量的熟化2h的聚硅酸溶液，可以制備不同Al/Si摩爾比的PASC的溶液。
2.共聚法 取一定量的0.25mol/L的AlCl3·6H2O溶液于燒杯中，按Al/Si摩爾比分別為5.0、10和15的比例加入一定量的新鮮制備的聚硅酸，加入一定量的去離子水，然后采用Dosimat型精密微量自動滴定儀微量滴加0.5mol/lNaOH溶液(滴堿速度為0.05ml/min)，至堿化度B=2.0，可得Alt=0.10 mol/L，B=2.0的PASC的溶液。
研究無機高分子絮凝劑的顆粒大小及分子量分布，有助于正確解釋其絮凝機理以及指導高性能絮凝劑的生產。基于光散射測量技術的光子相關光譜(PCS)方法和超濾膜法，現常被用來研究無機高分子絮凝劑的顆粒大小及分子量分布并得到較好的肯定。結果表明PASC聚集體的粒徑明顯較PAC的大，用共聚法制備得到的PASC可能得到粒徑更大的聚合物，有利于提高對水體中膠體顆粒的吸附架橋能力。
國內外研制聚硅酸鋁鹽的方法有三種：(1)以礦石、廢礦渣、粉煤灰等為原料進行研制;(2)將鋁鹽引入到聚硅酸溶液中;(3)用硅酸鈉、鋁酸鈉和硫酸鋁等作為原料在高剪切工藝條件下進行研制。不同的條件下制備的聚硅酸鋁絮凝劑的結構與物化性質是不同的。借助于超濾方法、電泳技術、核磁共振技術、透射電鏡觀察以及化學分析方法等對在強酸性條件下制備的聚硅酸鋁鹽的物化性質，鋁硅之間的相互作用情況及產品結構形態餓研究表明，聚硅酸鋁的相對分之量高達105--106比廣泛使用的聚和氯化鋁(PAC)的相對分之量高2個數量級這意味著聚硅酸鋁較PAC具有更強的吸附架橋能力。電泳結果表明聚硅酸鋁在較低的PH值范圍具有普通鋁鹽混凝劑的性質，在這種情況下，鋁鹽水解產物電中和脫穩作用是第一步，而聚硅酸鋁大分子的吸附作用是促進形成可沉淀花的第二步。在較高PH值范圍類聚硅酸鋁與普通鋁鹽混凝劑相比，表現出完全不同的凝聚絮凝性質。脫穩作用與粒子之間的架橋作用同時發生而形成可沉淀的礬花[4]。
一般認為PASC中的硅的引入會使產品中的Al含量降低，而目前對聚合鋁的研究表明Al是聚合鋁中中的最佳凝聚絮凝成分其含量可以反映制品的有效性，因此在硅引入的同時盡量減小Al的損失應成為PASC制備工藝追求的目標[14]。
目前國內外研制開發的聚硅酸鋁絮凝劑有兩類：一類是將聚合鋁(PAC)引入到聚硅酸(HS)中制得聚硅鋁絮凝劑(PAC—HS);另一類是將聚硅酸引入到聚合鋁中制得聚鋁硅絮凝劑(HS—PAC)。前者制備工藝復雜，對原料、設備均有較高的要求，難以推廣應用;后者由于聚硅酸的易膠凝性僅適合現制現用。現在已有人捉手研究以有機硅代替聚硅酸加入氯化鋁中溶液中，在快速攪拌條件下滴加氫氧化鈉溶液中，制備出TEOS—PAC復合絮凝劑。與(PAC—HS)和(HS—PAC)絮凝效果的比較，取得很好效果[16]。
隨著近年來對無機高分子絮凝劑的應用基礎理論研究的重視與發展，以及水質質量的提高，目前已有一些生產廠開始向 現代 化生產規模和國際產品質量過渡。預計數年后，高品質的聚硅酸鋁絮凝劑在我國將會有更新的發展。
2 實驗部分
2.1實驗前的準備
2.1.1 試劑的配制
1.重鉻酸鉀標準液(c/k2cr2o7=0.2500mol/l):稱取預先在120OC烘干2h的基準或優質純鉻酸鉀12.258g容于水 中，移入1000ml容量瓶，稀釋至標線。
2.試亞鐵靈指示液：稱取1.485g鄰菲羅淋(C12H8N2·H2O)、0.695g硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)溶于水中，稀釋至100ml，貯于棕色瓶中。
3.硫酸亞鐵銨標準液[C(NH4)2·6H2O≈0.1mol]:稱取39.5g硫酸亞鐵銨溶于水中，邊攪拌邊緩慢加入20ml農硫酸，冷卻后移入1000ml容量瓶中，加水稀釋至標線，搖勻。臨用前用重鉻酸鉀標準溶液標定。
標定 方法 ：準確吸取10.00ml重鉻酸鉀標準溶液于500ml錐形瓶中，加水稀釋至110ml左右，緩慢加入30ml濃硫酸，混勻。冷卻后加入三滴試亞鐵靈試劑指示液(約0.15ml),用硫酸亞鐵銨溶液滴定，溶液的顏色由黃色經藍綠色至紅褐色即為終點。
C=(0.2500×10.0)/v
式中： C——硫酸亞鐵銨標準溶液的濃度(mol/l);
V——硫酸亞鐵銨標準溶液的用量(ml);
4.硫酸—硫酸銀：于500ml濃硫酸中加入5g硫酸銀。放置1—2天，并不時搖動使其溶解。
2.1.2 濁度標準曲線的繪制
①硅藻土的濁度標準液的配制
稱取10g的硅藻土，于研體中加入少許蒸餾水調成糊狀并研細，移至1000 ml量筒中，加水至刻度。充分攪拌，靜置24 h，用虹吸法仔細將上層800 ml懸浮液移至第二個1000 ml量筒中。向第二個量筒內加水至1000 ml，充分攪拌后再靜置24 h。虹吸出上層含較細顆粒的800 ml懸浮液，棄去。下部沉積物加水稀釋至1000 ml。充分攪拌后貯于具塞玻璃瓶中，作為渾濁度原液。取上述懸濁液50 ml置于已恒重的蒸發皿中，在水浴上蒸干。于105 ℃烘箱內烘2 h，至干燥器中冷卻30 min，稱重。重復以上操作，即，烘1 h，冷卻，稱重，直至恒重。求出每毫升懸濁液中含硅藻土的重量(mg)。吸取含250 mg硅藻土的懸濁液，置于1000mL容量瓶中，加水至刻度，搖勻。此溶液濁度為250度。吸取濁度為250度的標準液100 ml，置于250 ml容量瓶中，用水稀釋至標線，此溶液濁度為100度的標準液[15]。
②濁度標準曲線的制作
取13個250ml容量瓶，分別加入0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120mL 250 NTU的濁度標準儲備液，用去離子水定容后搖勻。以去離子水作參比，用722型分光光度計在340 nm波長處測定吸光度A，所得結果見表1。
表1 濁度標準曲線值
|
標準儲備液加入量/ml |
濁度/NTU |
吸光度 |
|
0 |
0 |
0 |
|
10 |
10 |
0.075 |
|
20 |
20 |
0.103 |
|
30 |
30 |
0.121 |
|
40 |
40 |
0.132 |
|
50 |
50 |
0.176 |
|
60 |
60 |
0.191 |
|
70 |
70 |
0.212 |
|
80 |
80 |
0.241 |
|
90 |
90 |
0.272 |
|
100 |
100 |
0.295 |
|
110 |
120 |
0.349 |
|
120 |
150 |
0.408 |
根據上表數據繪制標準曲線(見圖1)，求得標準曲線回歸方程如下：
濁度=吸光度(A) ×384.3941 - 13.0627
相關系數：γ=0.993007
圖1 濁度度標準曲線
2.1.3 濁度的測定
濁度的測定采用分光光度法。以硅藻土配制濁度標準溶液，在波長340nm(此波長下天然水中存在的淡黃色或淡綠色對測定無干擾)處用722型分光光度計測定相應吸光度值，依據式：濁度=吸光度(A) ×384.3941 - 13.0627 計算 濁度。
2.1.4 pH值的測定
水樣的PH值的測定采用PH值精密酸度玻璃電極測定，在測量pH值之前，首先得對玻璃電極進行標定，以保證數據的準確性。
2.1.5 CODcr的測定
水樣CODcr的測定采用重鉻酸鉀快速法測定，測定水樣的CODcr時要注意操作步驟的準確性，所取水樣為20ml,用玻璃回流裝置回流2小時，用硫酸亞鐵銨進行標定，從而測定鉻的含量。
測定步驟：1.取20ml混合均勻的水樣(或適量水樣稀釋至20.00ml)置于250m磨口回流錐形瓶中，準確加入10.00ml重鉻酸鉀標準溶液及數粒小玻璃珠或沸石，加熱回流2h(自開始沸騰時計時)。
2.冷卻后，用90ml水沖洗冷凝管壁，取下錐形瓶。溶液總體積不得少于140ml，否則因酸度太大，滴定終點不明顯。
3.溶液再度冷卻后，加3滴試亞鐵靈指示液，用硫酸亞鐵銨標準溶液滴定，溶液的顏色由黃色經藍綠色至紅褐色既為終點，記錄硫酸亞鐵銨標準溶液的用量。
4.測定水樣的同時，取20.00ml重蒸餾水，按同樣的步驟作空白實驗。記錄滴定空白時硫酸亞鐵胺標準溶液的用量。
計 算： CODcr(O2,mg/l)=(V0 – V1)·C × 8 × 1000/V
式中：C——為硫酸亞鐵銨標準溶液的濃度(mol/l)
V0——滴定空白時硫酸亞鐵銨標準溶液的用量(ml)
V1——滴定水樣時硫酸亞鐵銨標準溶液的用量(ml)
V ——水樣的體積
8——氧(1/2 O)摩爾質量(g/mol)
2.2 聚硅酸氯化鋁的制備參數
2.2.1主要的試劑及儀器設備
主要試劑：硅酸鈉、氯化鋁、濃硫酸、NaOH、聚合氯化鋁、重鉻酸鉀、試亞鐵靈指示液、硫酸亞鐵銨
主要儀器設備： 722型分光光度計
PHS-3型精密酸度計
六聯攪拌儀
JD-90型強力電磁攪拌儀
2.2.2最佳SiO2%的確定：
取一定量的硅酸鈉(表3所示)，加水200ml稀釋成w(SiO2)分別為1.0%、1.5%、2.0%的三種溶液，分別加0.1mol/L的稀硫酸酸化至PH值為4.2—5.0。靜置2min后加一定量的氯化鋁(表1所示)，70oC高速攪拌60min然后滴加NaOH溶液至其呈粘稠狀。靜置熟化備用。
表3 絮凝劑制備藥品配方
|
絮凝劑編號 |
SiO2%含量 |
AL/SiO2摩爾比 |
硅酸鈉的投加量g |
氯化鋁的投加量g |
|
1 |
1.0% |
1.5 |
4.88 |
6.22 |
|
2 |
1.5% |
1.5 |
7.32 |
9.34 |
|
3 |
2.0% |
1.5 |
9.76 |
12.45 |
印染廢水各項指標的測定：CODcr=450.8g/l
濁度=493.98
用上述制備的三種絮凝劑處理印染廢水。取200ml印染廢水，分別投加相當量絮凝劑。靜置10h，取上清液測各項指標其結果如下(表4)：
表4 上清液各項指標
|
絮凝劑 編號 |
SiO2% 含量 |
COD |
COD去除率 （%） |
濁度 |
濁度去除率 （%） |
|
1 |
1.00% |
199.2 |
55.65 |
56.1 |
88.64 |
|
2 |
1.50% |
184.2 |
59.13 |
66.7 |
86.49 |
|
3 |
2.00% |
180.3 |
60.00 |
11.9 |
97.59 |
由此可得結論，最佳SiO2%可取2.0%
1.2.2攪拌時間、強度和溫度對絮凝劑的 影響 。
向稀硅酸溶液中引入氯化鋁，需要在合適的溫度下適當的攪拌才能較好得達到復合合成的目的。適當的可以加速絮凝作用，而有利于絮凝劑發揮作用，提高絮凝效果。通過實驗，發現攪拌速度應以1200-1300r/min為宜，攪拌時間應以30min為宜。如果攪拌時間過長，速度過快，則會將能夠沉降的顆粒被攪碎后變成不可沉降的顆粒，如果攪拌時間過短、速度過慢，則會使絮凝劑和固體顆粒不能充分接觸，從而不利于絮凝劑捕集膠體顆粒，且絮凝劑的濃度分布也不均勻，不利于發揮絮作用。
在制備聚硅酸氯化鋁的過程中影響因素有：1、AL/SiO2摩爾比。2、溫度。3、攪拌的時間。4、攪拌強度。5、SiO2%含量。在前面的實驗中已經確定SiO2%含量為2.0%，攪拌強度選擇在1000r/min，用正交法確定前三項適合值。實驗結果如表6：
表6 各項因素對絮凝效果的影響
|
溫度 |
影響 因素 |
||
|
Al/Si摩爾比 |
攪拌時間（min） |
濁度 |
|
|
60 |
0.5 |
30 |
0.263 |
|
60 |
1.0 |
60 |
0.183 |
|
60 |
1.5 |
90 |
0.178 |
|
70 |
0.5 |
30 |
0.254 |
|
70 |
1.0 |
60 |
0.167 |
|
70 |
1.5 |
90 |
0.175 |
|
80 |
0.5 |
30 |
0.341 |
|
80 |
1.0 |
60 |
0.194 |
|
80 |
1.5 |
90 |
0.203 |
由表6可以得出，70oC時處理后廢水的濁度低于其它兩個溫度階段，攪拌時間這一項60min的合成效果要比30min和90min的好，在這個實驗步驟里確定了兩項因素：溫度取70oC，攪拌合成時間取60min。至于Al/Si摩爾比則放在下一個實驗步驟里確定。
1.2.3 最佳AL/SiO2摩爾比的確定
固定Na2SiO3的投加量，調節AL/SiO2摩爾比。依上述步驟制備以下絮凝劑對印染廢水進行絮凝處理，其結果如表5
表5 AL/SiO2摩爾比對絮凝效果的影響
|
Al/Si摩爾比 |
處理后廢水水質 |
COD去除率(%) |
濁度去除率(%) |
|
|
COD |
濁度 |
|||
|
0.5 |
243.04 |
131.47 |
46.88 |
73.38 |
|
1.0 |
211.68 |
109.17 |
53.04 |
77.89 |
|
1.5 |
180.32 |
11.92 |
60.00 |
97.59 |
|
2.0 |
203.84 |
39.59 |
54.78 |
91.99 |
|
2.5 |
199.92 |
25.76 |
55.65 |
94.78 |
|
3.0 |
207.76 |
23.68 |
53.91 |
95.21 |
圖3 AL/SiO2摩爾比對COD的影響
圖4 AL/SiO2摩爾比對濁度的影響
由圖3可見AL/SiO2摩爾比不同對絮凝效果的影響是顯著的。當聚硅酸溶液中AL3+較少時，PASC的電荷中和能力較弱，故絮凝效果較差而當聚硅酸溶液中AL3+較多時，大量的AL3+容易吸附在懸浮膠體表面使其帶正電荷，使膠粒之間以及膠粒與PASC陽離子之間絮凝劑之間發生相互作用，因而絮凝效果降低。只有當AL3+適量時，PASC能同時發揮良好的電中和作用及吸附架橋作用，進而具有良好的絮凝效果。由圖3可知最佳的AL/SiO2摩爾比可取1.5
1.2.4 pH值對絮凝劑穩定性的影響
pH值對絮凝劑的成形有很大的影響。在聚硅酸氯化鋁的制備過程中pH值起著重要的作用。在前面的實驗中通過觀察可以看到，pH越大，制備的絮凝劑越容易凝膠當pH大于等于6時，在硅酸鈉溶液中加入氯化鋁，溶液會瞬時凝膠而無法達到合成的目的。而pH小于3后，加熱攪拌合成溶液始終呈清液狀態，沒有達到合成的目的。當pH=4-5時，加熱攪拌合成溶液后呈淡黃色的半透明膠體狀態，與 文獻 資料相符，絮凝效果也較好。這是由pH對硅酸的影響引起的，pH值越大硅酸越容易凝膠，相反，pH值越小硅酸越不容易凝膠。最佳pH=4-5。
2.3最佳操作參數的確定
2.3.1最佳投加量的確定
通過上面的實驗可得出最佳絮凝劑的制備 方法 。SiO2%=2.0;AL/SiO2=1.5
取硅酸鈉9.76g，溶入200ml蒸餾水攪拌均勻，加0.1mol/L的稀硫酸酸化至PH值為4.2—5.0。靜置2min后加12.45g氯化鋁，70oC1000r/min攪拌60min然后滴加NaOH溶液至其呈粘稠狀。靜置熟化。用制備的絮凝劑處理印染廢水，調節投加量。靜置，取上清液測各項指標，結果如表7。
表7 投加量對絮凝效果的影響
|
投加量 |
處理后廢水水質 |
COD去除率（%） |
濁度去除率（%） |
|
|
COD |
濁度 |
|||
|
1.0 |
246.90 |
117.25 |
45.22 |
76.26 |
|
1.5 |
239.10 |
68.42 |
46.96 |
86.23 |
|
2.0 |
266.56 |
43.06 |
52.23 |
91.28 |
|
2.5 |
156.80 |
4.95 |
65.22 |
98.99 |
|
3.0 |
211.68 |
30.75 |
56.04 |
93.28 |
|
3.5 |
199.92 |
25.38 |
55.65 |
94.86 |
|
4.0 |
196.00 |
4.98 |
56.52 |
98.99 |
|
4.5 |
223.44 |
3.69 |
50.43 |
99.25 |
|
5.0 |
176.40 |
3.03 |
60.82 |
99.39 |
|
6.0 |
209.88 |
50.36 |
53.44 |
89.84 |
|
7.0 |
225.72 |
24.99 |
52.56 |
94.94 |
|
8.0 |
213.84 |
28.84 |
49.93 |
94.16 |
由圖2可以看出，隨著PASC投加量的增加，印染水的COD逐漸降低。當投加量達到2.5ml時COD降為最低156.80，繼續增加投加量COD會增加。這是
圖6 投加量對COD的影響(/200ml)
圖7 投加量對濁度的影響(/200ml)
圖6-圖8顯示的是投加量對絮凝效果的影響。因為當Al3+完全中和廢水中的懸浮顆粒物中所帶的負電荷后，吸附在懸浮顆粒物上的過剩Al3+反而使顆粒物帶正電荷，由于靜電排斥作用而使絮凝效果降低。最佳投加量為2.5ml/200ml折合成SiO2的量為255mg/l。
2.3.2最佳PH的確定
用上述制備的最佳絮凝劑處理印染廢水。取200ml印染廢水，調節出PH=4～10這一范圍，分別投加2.5ml絮凝劑。靜置，取上清液測各項指標其結果如表8。
圖9 PH值對COD的 影響
表8 PH值對絮凝效果的影響|
PH值 |
處理后廢水水質 |
COD去除率% |
濁度去除率% |
|
|
COD |
濁度 |
|||
|
4 |
188.7 |
49.97 |
58.14 |
89.88 |
|
5 |
172.5 |
5.39 |
61.73 |
98.91 |
|
6 |
164.4 |
6.54 |
63.53 |
98.68 |
|
7 |
160.4 |
3.82 |
64.42 |
99.23 |
|
8 |
148.3 |
3.29 |
67.10 |
99.33 |
|
9 |
156.4 |
3.95 |
65.31 |
99.20 |
|
10 |
176.2 |
4.73 |
63.53 |
99.04 |
表7為PH值對絮凝效果的影響，由圖9可以看出，當污水的PH值大于7時，即在偏堿性的條件下，可以獲得較好的絮凝效果。尤其當PH=8時，絮凝效果達到最大值。由于在酸性條件下，SiO2聚合沉積，失去絮凝特性，故其絮凝效果較差。
圖10 PH值對濁度的影響
2.5 PASC 同PAC的比較實驗
用PASC 和PAC分別對印染廢水進行除濁脫色處理。PASC的SiO2%=2.0%;AL/SiO2=1.5;投加量為2.5ml/200ml;最佳PH=8.0分別取上清液測各項指標，結果如下：
表9 PASC 與PAC絮凝效果的比
|
絮凝劑 |
去除率（%） |
最佳投加量 |
最佳PH值 |
|
|
COD |
濁度 |
|||
|
PASC |
65.22% |
99.39% |
2.5ml |
8.00 |
|
PAC |
54.54% |
99.12% |
0.075g |
7.50-8.00 |
從表8可看出PASC在除去COD、 濁度、色度方面均優于 PAC。這是由于對PASC絮凝劑而言，它除了其中的鋁鹽成分具有PAC的效能外，還由于其具有較多的聚合大分子形態，吸附架橋能力強，所以可以取得更好的絮凝效果。從以上的 分析 討論中可以看出在使細小的膠體顆粒形成可沉降的絮體中，高分子的聚硅酸起著重要的作用。在用PASC進行除濁脫色時在膠體顆粒所帶電荷不發生變化且在高投加量下不發生在穩定的事實說明，PASC在混凝過程中除了具有電中和作用外，更明顯地表現了吸附架橋及卷掃混凝的典型特征。
3 結果討論
3.1 PASC最佳制備參數：
3.1.1 絮凝劑中SiO2%含量
在相同的AL/SiO2條件下，隨著SiO2%含量的增加，絮凝效果逐漸增強。這是因為生成的鏈狀高分子聚合SiO2的數量越大，吸附架橋的能力越強，因而絮凝效果越好。但當SiO2%大于2.5%時，即使在高剪切條件下與氯化鋁復合，其溶液瞬時即會凝膠。故在PASC的復合中，SiO2%不宜超過2.0%在本實驗中測得的最佳SiO2%=2.0%。
3.1.2 AL/SiO2摩爾比
對PASC而言AL/SiO2摩爾比越小即聚硅鋁的含量有助于提高絮凝效果。當AL/SiO2=1.5時除濁效果最好。AL/SiO2摩爾比過大過小都不利于提高其吸附架橋能力。從 理論 上講高的聚硅酸含量有利于提高其吸附架橋能力，但是過量的聚硅酸存在又可降低其電中和能力。所以制備PASC時應綜合考慮上述兩個方面的因素。
3.1.3攪拌時間、強度和溫度
在制備絮凝劑的過程中需要適當的攪拌與加熱，才能使稀硅酸與氯化鋁較好地復合合成。通過正交實驗得出最佳的攪拌時間與強度和溫度為30min、1000r/min、70oC強度過高，時間過長、溫度過高會導致合成的絮凝劑不穩定，需要熟化的時間較長。如強度過小，時間過短溫度太低會導致絮凝劑不能完全合成而降低絮凝效果。
3.1.4 pH值
在聚硅酸氯化鋁的制備過程中pH值對絮凝劑的成形起著重要的作用。質量較好的聚硅酸氯化鋁絮凝劑為淡黃色的半透明粘稠狀液體，pH過高呈凝膠狀，pH過低酸度高則呈清液狀，絮凝效果較差。最佳pH范圍為4-5。
3.2處理印染廢水最佳操作參數
3.2.1投加量
投加量對絮凝效果有一定的影響，隨著PASC投加量的增加，印染水的COD、濁度、色度各項指標逐漸降低。當投加量達到2.5ml時COD降為最低156.80，繼續增加投加量COD會增加。增加至5.0ml會有出現濁度最低值3.03再增加投加量各項指標又會上升。這是因為當Al3+完全中和廢水中的懸浮顆粒物中所帶的負電荷后，吸附在懸浮顆粒物上的過剩Al3+反而使顆粒物帶正電荷，由于靜電排斥作用而使絮凝效果降低。實驗得出最佳投加量為255mg/l。
3.1.4 PH值
當污水的PH值較小時絮凝劑處于酸性條件下，SiO2聚合沉積，失去絮凝特性，故其絮凝效果較差。當污水的PH值大于7時，即在偏堿性的條件下，可以獲得較好的絮凝效果。尤其當PH=8時，絮凝效果達到最佳。PH值繼續上升，會影響Al(OH)3的水解，Al(OH)3+OH-=== AlO2-+2H2O 從而降低絮凝效果。故絮凝PH值的選擇應適中，實驗得出最佳PH值取8。
3.1.5 攪拌時間和強度
在絮凝沉淀實驗中絮凝劑與廢水中顆粒的充分混合也需要適宜的攪拌。如果攪拌時間過長，速度過快，則會將能夠沉降的顆粒被攪碎后變成不可沉降的顆粒，如果攪拌時間過短、速度過慢，則會使絮凝劑和固體顆粒不能充分接觸，從而不利于絮凝劑捕集膠體顆粒，而且絮凝劑的濃度分布也不均勻，不利于發揮絮凝作用。實驗得到的最佳攪拌時間與強度為：5min，100r/min。
3.3 PASC 與PAC絮凝實驗的對比
與PAC相比，PASC中由于聚硅酸與鋁水解產物的相互作用，生成聚體更大的水解絡合物，且具有一定的電中和能力，因此投加到水中后可同時發揮電中和作用和強烈的吸附架橋作用，從而表現出更好的除濁脫色效果。
結束語
通過實驗 研究 和分析，可知：
1、聚硅酸氯化鋁(PASC)的最佳制備參數為：一，SiO2%含量，AL/SiO2摩爾比條件相同時，當SiO2%含量取2.0%，絮凝效果最佳。二， AL/SiO2摩爾比，最佳AL/SiO2摩爾比取1.5，過大或過小，對其穩定性絮凝效果都有顯著影響。三，最佳攪拌時間、強度與溫度為60min、1000r/min、70oC。四、最佳pH值范圍4-5。
2、聚硅酸氯化鋁(PASC)處理印染廢水的適宜操作參數為：投加量為255mg/l，5min，100r/min，PH=8.0。在實際水處理中，應根據處理對象的不同選擇合適的參數，以達到最佳混凝效果。
3、聚硅酸氯化鋁(PASC)復合絮凝劑比單純的聚鋁(PAC)絮凝效果要好，兩種絮凝劑對濁度最佳去除率都超過99%，但對COD的去除率，PASC為65.22% ，PAC為54.54%。且聚硅酸氯化鋁(PASC)原料來源廣泛，制備 方法 簡單，成本較低。具有良好的 經濟 效應與開發前景。
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