高立新，張大全，陳新梅
（上海電力學(xué)院 環(huán)境工程系，上海 200090）

　　摘要：以聚硅酸、聚合氯化鋁(PAC)、陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺(C—PAM)為原料，制備了復(fù)合型無(wú)機(jī)高分子絮凝劑PCSM?？疾炝思铀幜?、鋁與硅的物質(zhì)的量比、pH值等因素對(duì)絮凝效果的影響。結(jié)果表明，少量添加C—PAM有助于改善聚合鋁硅(PSAC)的穩(wěn)定性和絮凝效果。與PSAC相比，PCSM有較寬的pH值適用范圍，絮體顆粒粗大、密實(shí)，沉降速度快，余濁低。
　　關(guān)鍵詞：聚合鋁硅；聚丙烯酰胺；絮凝劑；水處理
　　中圖分類號(hào)：TU991.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　　 文章編號(hào)：1009—2455(2004)01—0070—03

A Research on Synthesization and Performance of A Ternary Compound Flocculant
(Environmental Engineering Department of Shanghai Electric Power Institute，Shanghai 200090,China)

　　AbStract： A compound inorganic polymer flocculant，PCSM，was prepared with polysilicic acid，polyaluminum chloride (PAC) and cationic-type polyacrylamide (C—PAM) as raw materials.The effects of the dosage, the mole ratio between aluminum and silicon，the pH values，etc.on the results of flocculation were studied.It is shown by the results that the addition of a small amount of C—PAM is helpful to improve the stability of PSAC and the results of flocculation.Compared to PSAC，PCSM is adaptable to a wider range of pH values，with which the flocculating constnuent granules are larger and denser， the sedimentation velocity is faster， and the residual turbidity lower.
　　Key words： aluminum-silicon complex flocculants (PSAC)； polyacrylamide (C-PAM)；flocculants；wastewater treatment

　　聚硅酸(Polysmcic acid 簡(jiǎn)稱 PSA)是一種具有良好的吸附性能和架橋能力的陰離子型無(wú)機(jī)高分子物質(zhì)。PSA 具有原料價(jià)廉易得、安全無(wú)毒、制備簡(jiǎn)便等許多優(yōu)點(diǎn)，最大的缺點(diǎn)是穩(wěn)定性較差，在溶液中能自行聚合形成不溶于水的凝膠狀高聚物，失去絮凝性能。聚合氯化鋁(Polyaluminum chloride 簡(jiǎn)稱 PAC)與 PSA 復(fù)配而成的鋁硅復(fù)合型絮凝劑(Polyaluminam chloride containing activated silicic acid PSAC)，可以充分發(fā)揮二者的長(zhǎng)處。與 PSA 相比，不但提高了穩(wěn)定性，而且增加了電中和能力；但 PAC 對(duì) PSA 的穩(wěn)定效果有限^[1-2]。研究表明，有機(jī)高分子聚合物將影響 PSA 分子的存在態(tài)，從而對(duì)其穩(wěn)定性和絮凝效果產(chǎn)生影響^[3]。目前，PSAC 與有機(jī)聚合物復(fù)配方面的研究工作少報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)在 PSAC 復(fù)配物基礎(chǔ)上，添加少量機(jī)高分子絮凝劑——陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺(cationicpoly-acrylamide 簡(jiǎn)稱 C—PAM)復(fù)合成為絮凝劑PC-SM。PCSM 同時(shí)具備靜電中和、吸附架橋及網(wǎng)捕3種功能，明顯增強(qiáng)了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和絮凝性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑
　　水玻璃(含26％SiO₂)，C-PAM(相對(duì)分子質(zhì)量為600萬(wàn))，PAC(固體，鹽基度為65％)。
1.2 PCSM的制備及膠凝時(shí)間的測(cè)定
　　將水玻璃稀釋至SiO₂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％的稀溶液。在攪拌的條件下，將其滴加到1：1鹽酸溶液中，至pH值為3-4。室溫(9 ℃)下反應(yīng)1 h后，調(diào)節(jié)pH值為1—2，再在40℃下恒溫?cái)嚢?5min。然后，按照設(shè)定的鋁與硅的物質(zhì)的量比加入不同劑量的 PAC 溶液，充分?jǐn)嚢瑁瞥? PSAC。再加入C-PAM(用量為 PAC 質(zhì)量的0.3％—1.0％)混勻。熟化1 d后，即成PCSM絮凝劑。取適量倒人小瓶，在室溫下放置，測(cè)定膠凝時(shí)間。取PCSM復(fù)配完畢到其失去流動(dòng)性所經(jīng)歷的時(shí)間為PCSM的膠凝時(shí)間。
1.3 模擬懸浮液的絮凝實(shí)驗(yàn)
　　配制含高嶺土20mg／L、腐植酸5mg／L.的模擬水樣(自來(lái)水與去離子水體積比為1：1)，測(cè)得水樣pH值為7.8，水溫8℃。濁度為38度。
　　絮凝實(shí)驗(yàn)：取500mL水樣于燒杯中，在200r／min的快速攪拌下投加 PCSM，繼續(xù)快攪1 min，然后以40—60 r/min慢攪15 min，靜止沉降20min。用移液管吸取表面以下2cm處的上層清液用分光光度法測(cè)濁度，測(cè)定時(shí)以蒸餾水為空白。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁與硅的物質(zhì)的量比對(duì)PCSM穩(wěn)定性的影響
　　溫度、濃度、pH值是影響 PSA 聚合速度及穩(wěn)定性的重要因素。加入 PAC 后，鋁與硅的物質(zhì)的量比不同，藥劑的穩(wěn)定性也不相同^[4]。本實(shí)驗(yàn)在溫度、濃度、pH值一定的情況下，制成一系列不同鋁與硅的物質(zhì)的量比的 PCSM 復(fù)合藥劑，其中SiO₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均控制為2.5％。測(cè)定其膠凝時(shí)間，考察了鋁與硅的物質(zhì)的量比對(duì)膠凝時(shí)間的影響，并與未加 C-PAM 的PSAC 進(jìn)行比較。膠凝時(shí)間越長(zhǎng)，則復(fù)配藥劑越穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

　　從圖1可以看出，鋁與硅的物質(zhì)的量比是藥劑的膠凝時(shí)間的重要影響因素，鋁與硅的物質(zhì)的量比過(guò)小，即PAC含量較少時(shí)，無(wú)論是否加入 C—PAM，復(fù)配藥劑都很容易凝膠，穩(wěn)定性較差。隨著鋁與硅的物質(zhì)的量比增大，特別是在n(AL)／n(Si)>1以后，復(fù)配藥劑中 PAC 成分增多，絮凝劑趨于陽(yáng)離子性，膠凝時(shí)間明顯延長(zhǎng)。在n(AL)／n(Si)>10以后，兩種藥劑均可放置50d以上不凝膠。從圖1還可以看出，少量加入 C-PAM 的 PCSM 穩(wěn)定性比 PSAC 明顯提高。這是因?yàn)?C-PAM 的相對(duì)分子質(zhì)量較大，其在稀溶液中有較長(zhǎng)伸展的分子鏈，對(duì) PSA 的進(jìn)一步聚合膠凝起到空間阻隔作用。此外，由于 C-PAM 在溶液中水解后離子帶正電荷，與帶負(fù)電荷的 PSA 易吸附形成類似接枝的結(jié)構(gòu)^[5]，也是阻隔 PSA 進(jìn)一步反應(yīng)形成不溶性交聯(lián)物質(zhì)的重要原因。
　　實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在 PSA 中直接加入 C-PAM， C-PAM 容易成團(tuán)析出，故復(fù)配時(shí)，應(yīng)先加 PAC 后加 C-PAM，而且由于高相對(duì)分子質(zhì)量的 C-PAM 在 PSAC 溶液中的溶解度有限，C-PAM 在復(fù)配藥劑中只能作為少量添加物，其用量不能超過(guò) PAC 質(zhì)量的2％。
2.2 鋁與硅的物質(zhì)的量比對(duì)絮凝效果的影響
　　在室溫為9℃，投藥量12mg／L下，進(jìn)行了鋁與硅的物質(zhì)的量比對(duì)絮凝效果的影響實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2。

　　圖2中為少量加入 C-PAM 時(shí)，鋁與硅的物質(zhì)的量比對(duì)除濁效果的影響。可以看出，鋁與硅的物質(zhì)的量比對(duì)絮凝效果有明顯的影響。鋁與硅的物質(zhì)的量比達(dá)到5以后剩余濁度明顯降低。鋁與硅的物質(zhì)的量比為10時(shí)，余濁最低。達(dá)到15以后曲線開始上升。由此可見，鋁與硅的物質(zhì)的量比過(guò)大或過(guò)小均不利于提高混凝除濁效果。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，鋁與硅的物質(zhì)的量比為10時(shí)，PCSM 的穩(wěn)定性也較好，在9℃左右的室溫下，SiO₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5％時(shí)，可保持60d以上不膠凝。
　　鋁與硅的物質(zhì)的量比是衡量鋁硅復(fù)合絮凝劑性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。鋁與硅的物質(zhì)的量比過(guò)小不利于提高絮凝劑的電中和能力，過(guò)大則由于大分子 PSA 含量過(guò)少使藥劑的吸附架橋能力下降，同樣也不利于提高絮凝效果。
2.3 投藥量對(duì)絮凝效果的影響
　　在n(A1)／n(Si)=5，m(C-PAM)／m(PAC)=1％時(shí)，我們考察了藥劑PCSM的投藥量對(duì)絮凝效果的影響，并與 PSA，PAC 進(jìn)行了比較。結(jié)果見圖3。

　　從圖3可以看出，PCSM 與陽(yáng)離子型絮凝劑 PAC 相比，存在一轉(zhuǎn)折點(diǎn)A，當(dāng)投加量小于此點(diǎn)(2mg／L)時(shí)，復(fù)合物 PCSM 的絮凝效果不及 PAC，而投加量大于此點(diǎn)時(shí)，PCSM的絮凝效果優(yōu)于 PAC。這是因?yàn)?，水中膠粒通常是帶負(fù)電荷的，而在復(fù)配藥劑中，由于 PSA 中和了 PAC 的有效成分，導(dǎo)致 PCSM 的電中和能力下降。隨著藥品用量的增加，其中 PAC 的有效成分也隨之增加，加上大分子 PSA 及 C-PAM 的吸附架橋作用，使 PCSM 的絮凝除濁效果得到有效改善，濁度去除率高于PAC。從圖3中還可以看出，PSA 由于電中和能力較差，投藥量在20mg／L以上，才能達(dá)到較好的處理效果。
2.4 加入C-PAM對(duì)絮凝效果的影響
　　在同樣鋁與硅的物質(zhì)的量比下，改變 C—PAM的用量(質(zhì)量為PAC的0.3％-1.0％)，對(duì)未加 C—PAM 的 PSAC 與m(C-PAM)／m(PAC)分別為0.5％及1.0％的 PCSM 進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)。結(jié)果見圖4。

　　從圖4可以看出，加入 C-PAM 的復(fù)配藥劑凝效果明顯好于未加 C-PAM 的 PSAC，并且隨著 C-PAM 加入量的提高絮凝效果明顯增強(qiáng)。
　　高相對(duì)分子質(zhì)量的 C-PAM 分子鏈很長(zhǎng)，用很強(qiáng)的吸附架橋性能，即使少量加入絮凝效果也會(huì)明顯提高^[6]。從理論上講，C-PAM 的用量越綢有利于絮凝除濁。但由于 C-PAM 在混合藥劑咽溶解性有限。繼續(xù)加入會(huì)出現(xiàn)不能完全溶解的現(xiàn)象。另外，從成本和使用方便性上考慮，C-PAM 還是適合作為少量添加劑。實(shí)驗(yàn)過(guò)程還可以觀察到加入 C-PAM 后，絮體形成速度快，體積大，靜置時(shí)，沉降迅速。
2.5 pH值對(duì)PCSM絮凝效果的影響
　　在鋁與硅的物質(zhì)的量比為10，投藥量為13mg／L的條件下，考察了 PCSM 對(duì)不同pH值水樣的絮凝效果。結(jié)果如圖5所示。

　　從圖5可以看出，PCSM 在pH值為6-12的范圍內(nèi)具有良好的絮凝除濁效果，尤其對(duì)偏堿性的污水絮凝效果更好。這一方面是因?yàn)?PCSM 中的 C—PAM 有較寬的pH值適用范圍，另一方面，隨著溶液pH值提高，PSA 與PAC的離解程度加強(qiáng)，增強(qiáng)了對(duì)溶液中顆粒的吸附和架橋作用，提高絮凝效果。實(shí)驗(yàn)中還觀察到，在堿性時(shí)絮凝產(chǎn)物也較為粗大、密實(shí)，沉降明顯加快。

3 結(jié)論

　?、賹⑸倭緾—PAM(質(zhì)量為PAC的0.3％-1％)加入到PSAC中制成了復(fù)合型絮凝劑PCSM。與PAC和PSAC相比，PCSM的穩(wěn)定性和絮凝效果均明顯增強(qiáng)。
　?、阡X與硅的物質(zhì)的量比是影響PCSM穩(wěn)定性和絮凝效果的重要因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鋁與硅的物質(zhì)的量比為10，加藥量為13 mg／L，m(C—PAM)／m(PAC)為0.3％—2％時(shí)，PCSM對(duì)自配低濁水樣濁度去除率達(dá)到100％，此條件下藥劑也較穩(wěn)定，SiO₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5％時(shí)，于9℃的室溫下能存放60d以上不膠凝。

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作者簡(jiǎn)介：高立新(1967—)，女，河南潢川人，副教授，碩士， 電話(021)65700719。