聚合硫酸鐵(簡(jiǎn)稱聚鐵)在工業(yè)上獲得了廣泛的應(yīng)用,但是對(duì)其質(zhì)量指標(biāo)評(píng)定之一的鹽基度,卻有著不同的看法:一種觀點(diǎn)認(rèn)為聚合硫酸鐵的鹽基度以16%為較佳,高于16%則易形成氫氧化鐵沉淀,因而聚合硫酸鐵溶液將失去或降低絮凝性能;另一種則認(rèn)為聚合硫酸鐵的鹽基度越高越好,即鹽基度愈大,絮凝作用越強(qiáng),絮凝時(shí)形成的礬花越大,絮凝效果越好,絮體沉降速度越快;還有的認(rèn)為鹽基度并不能作為判斷聚合硫酸鐵質(zhì)量?jī)?yōu)劣的指標(biāo),而僅僅是一個(gè)操作參數(shù)。我國(guó)規(guī)定鹽基度大于8%的聚合硫酸鐵為合格品,而大于12%的聚合硫酸鐵則為一級(jí)品。　　

基于對(duì)鹽基度的不同看法,筆者采用雙氧水氧化的方法,制備了一系列不同鹽基度的聚合硫酸鐵溶液,通過絮凝性能實(shí)驗(yàn),就聚合硫酸鐵的鹽基度與其絮凝性能關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,得出了自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,并對(duì)聚合硫酸鐵絮凝的機(jī)理進(jìn)行了初步的探討。

1　聚合硫酸鐵溶液的制備　　

首先通過調(diào)節(jié)、控制硫酸的加入量,采用雙氧水氧化的方法,以硫酸亞鐵為原料,制得了一系列鹽基度分別為0、3%、4.98%、5.85%、9.16%、10.3%、12.75%、15.0%、17.2%、19.1%、23.3%、25.1%的聚合硫酸鐵溶液,供絮凝性能實(shí)驗(yàn)。

2　絮凝實(shí)驗(yàn)

2.1　模擬水樣配制　　

準(zhǔn)確稱取140目篩下物的硅藻土樣品12g置于1000mL安德遜沉降管內(nèi),加入水至刻度,塞上塞子搖勻,即可作為進(jìn)行一次絮凝實(shí)驗(yàn)的模擬水樣。

2.2　實(shí)驗(yàn)方法　　

本實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)后的安德遜沉積分析儀進(jìn)行絮凝性能實(shí)驗(yàn)。由于安德遜沉積分析儀的吸管內(nèi)徑太細(xì),而絮凝實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的絮體較大,致使在取樣過程中,吸管經(jīng)常堵塞而吸不上液體,使實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生很大誤差,為此實(shí)驗(yàn)中用移液管代替吸管,并將移液管吸口端磨掉一部分,以使吸口部位內(nèi)徑增大,防止堵塞而造成誤差。

2.3　實(shí)驗(yàn)步驟　　

向配制好的一系列模擬水樣中滴加規(guī)定量的待測(cè)聚合硫酸鐵溶液,然后塞上塞子搖勻,置于桌面上并迅速開始計(jì)時(shí),于2.5min在15cm深度處取樣6.0mL,測(cè)定其濁度。聚合硫酸鐵的加入量以滴入的Fe3+量計(jì)(mg)。

2.4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果　　

實(shí)驗(yàn)表明,不同鹽基度聚合硫酸鐵的絮凝性能實(shí)驗(yàn)曲線,其形狀是一樣的:即隨著聚合硫酸鐵加入量的增加,取樣溶液的濁度降低,但當(dāng)聚合硫酸鐵加入量達(dá)一定時(shí),濁度基本保持不變,也就是說絮凝性能實(shí)驗(yàn)曲線有一轉(zhuǎn)折點(diǎn),但鹽基度不同,轉(zhuǎn)折點(diǎn)處聚合硫酸鐵的加入量不同;這反映了鹽基度不同,聚合硫酸鐵的絮凝性能不同。圖1給出了鹽基度為5.85%的聚合硫酸鐵絮凝實(shí)驗(yàn)曲線。

2.5　聚合硫酸鐵鹽基度與絮凝性能的關(guān)系　　

為進(jìn)一步考察鹽基度對(duì)聚合硫酸鐵絮凝性能的影響,需在固定聚合硫酸鐵加入量的條件下,觀察不同鹽基度聚合硫酸鐵的絮凝性能。由于只有在較佳用量附近選點(diǎn)方具有代表性,故從圖中分別讀取轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近2.5mg、3.5mg聚合硫酸鐵加入量時(shí)的取樣濁度,并繪制出相應(yīng)的鹽基度和濁度的關(guān)系曲線,如圖2、圖3。　

由圖2、圖3可以看出,鹽基度分別在小于10%和大于10%的范圍內(nèi),不同鹽基度的聚合硫酸鐵的絮凝效果基本上是一致的。但鹽基度小于10%的聚合硫酸鐵,其絮凝效果明顯好于鹽基度大于10%的聚合硫酸鐵溶液。

3　聚合硫酸鐵鹽基度與絮凝性能關(guān)系的理論探討

3.1　絮凝機(jī)理簡(jiǎn)介　　

絮凝劑的絮凝機(jī)理主要可歸結(jié)為如下四種:　　

(1)壓縮雙電層作用:帶同號(hào)電荷的膠粒之間總是存在著由ζ電位引起的靜電斥力,與此同時(shí),膠粒之間又總是存在著范德華引力。　　

在穩(wěn)定膠體中,膠粒互相接近的動(dòng)力主要來源于布朗運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能,它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于排斥勢(shì)能,這就是膠體長(zhǎng)期穩(wěn)定、久置不沉的根本原因。向膠體溶液中投加電解質(zhì),增大了溶液主體中的離子強(qiáng)度,使膠團(tuán)的擴(kuò)散層受壓變薄,ζ電位降低,當(dāng)排斥勢(shì)能低至不能阻礙膠粒互相聚集時(shí),膠體就處于脫穩(wěn)狀態(tài);擴(kuò)散層很端壓縮時(shí),在開始產(chǎn)生排斥的距離上,范德華引力已大到足以同它抗衡,至全部距離上吸引力都占了優(yōu)勢(shì),此時(shí)膠粒每次碰撞都能促成凝聚。　　

(2)吸附和電荷中和作用:當(dāng)投加的化學(xué)藥劑為鐵鹽和鋁鹽時(shí),能在一定條件下水解,生成類似于雙親分子的絡(luò)離子和多核絡(luò)離子,這些離子進(jìn)入液固界面,被電位離子牢固地吸附并中和ζ電位,從而使膠體脫穩(wěn)。但是,如果投加量過多,同樣會(huì)造成膠粒電號(hào)反逆而出現(xiàn)再穩(wěn)。　　

(3)網(wǎng)捕作用:當(dāng)被投加的含金屬離子的化學(xué)藥劑如鐵鹽水解而迅速產(chǎn)生沉淀時(shí),水中的膠粒和細(xì)微懸浮物可被這些沉淀物在形成時(shí)作為晶核或吸附質(zhì)所網(wǎng)捕。顯然,在此過程中,膠粒并不一定脫穩(wěn)。廢水中的膠體多帶負(fù)電荷,所以沉淀物若帶正電荷,尤能加快網(wǎng)捕速度。　　

(4)吸附、架橋作用:作為混凝劑的高分子物質(zhì)如聚合硫酸鐵高聚物,均具有線性結(jié)構(gòu)。膠體微粒對(duì)這類高分子物質(zhì)具有強(qiáng)烈的吸附作用,高聚物線型長(zhǎng)度較大,它可以在相距較遠(yuǎn)的兩膠粒之間進(jìn)行吸附、架橋。當(dāng)它的一端吸附某一膠粒后,另一端伸入水中又吸附另一膠粒,形成微粒—高分子—微粒的結(jié)構(gòu)。較后,各個(gè)高分子再互相搭接,形成大的絮凝體而沉降。在微粒與高分子形成的絮凝體中,微粒之間并未直接接觸,而是通過高分子的長(zhǎng)鏈作為橋梁將其連接在一起的。

3.2　ζ電位測(cè)定　　

(1)測(cè)定方法:為探討聚合硫酸鐵絮凝機(jī)理,筆者挑選兩個(gè)具有代表性的聚合硫酸鐵產(chǎn)品(鹽基度分別為5.85%和18.87%)作了ζ電位測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)采用Zeta-Master激光電動(dòng)電位測(cè)定儀測(cè)量。在蒸餾水和自然pH下測(cè)定。　　

(2)測(cè)定結(jié)果:測(cè)定結(jié)果如圖4所示。　　

(3)測(cè)定結(jié)果分析如下:兩種鹽基度的聚合硫酸鐵溶液都具有降低ζ電位的能力,并使體系中硅藻土微粒電荷反號(hào)從而發(fā)生再穩(wěn)定現(xiàn)象,而高鹽基度聚合硫酸鐵降低ζ電位的能力比低鹽基度的聚合硫酸鐵低。　

聚合硫酸鐵具有使體系中硅藻土微粒電荷反號(hào)并發(fā)生再穩(wěn)定現(xiàn)象。結(jié)合聚合硫酸鐵絮凝效果實(shí)驗(yàn)可知,當(dāng)聚合硫酸鐵加入量達(dá)一定時(shí),雖足以引起電荷反號(hào),導(dǎo)致ζ電位變正且趨于穩(wěn)定,但聚合硫酸鐵的絮凝效果仍很好,說明在絮凝過程中粘結(jié)、架橋和卷掃作用等因素同時(shí)在發(fā)揮作用,且這種作用很大。聚合硫酸鐵的穩(wěn)定性受其溶液的酸度影響很大,溶液的酸度越低,即聚合硫酸鐵的鹽基度越高,聚合硫酸鐵的穩(wěn)定性越差,在存儲(chǔ)、使用過程中越易形成沉淀。本絮凝實(shí)驗(yàn)體系中,模擬水樣的pH值呈中性,因而聚合硫酸鐵投加后,鹽基度越高,產(chǎn)生沉淀的趨勢(shì)越大。如此一則在沉淀物的形成、下沉過程中,對(duì)懸浮物起網(wǎng)捕作用,有利于絮凝效果;二則由于高分子聚合硫酸鐵的有效成分減少,使其粘接、架橋作用減弱。

聚合硫酸鐵具有吸附和電中和作用,高鹽基度聚合硫酸鐵由于在使用過程中,生成更多的沉淀物,使其吸附和電中和作用減弱。　　

而對(duì)于低鹽基度聚合硫酸鐵,由于投加后不易產(chǎn)生沉淀物,因而具有良好的吸附和電中和作用。

4　結(jié)論　　

由于低鹽基度聚合硫酸鐵的穩(wěn)定性好,使其粘接、架橋作用、吸附和電中和作用以及壓縮雙電層作用均優(yōu)于高鹽基度聚合硫酸鐵,而高鹽基度聚合硫酸鐵的網(wǎng)捕作用更好,總的結(jié)果是低鹽基度聚合硫酸鐵的絮凝性能明顯優(yōu)于高鹽基度的聚合硫酸鐵。　　

較后需要說明的是:雖然由本研究實(shí)驗(yàn)體系得出了上述規(guī)律性結(jié)果,但這里并不排斥應(yīng)用其他制備方法或絮凝實(shí)驗(yàn)體系時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)有所不同。