多功能復(fù)合混凝劑聚合硫酸鐵鋁的制備、表征及應(yīng)用.pdf

1、論文以鈦白粉副產(chǎn)物七水硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O）和含鋁材料為主要原料，制備一種新型的多功能復(fù)合混凝劑——聚合硫酸鐵鋁（PAFS）。采用紅外（FTIR）、X-衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征和逐時(shí)絡(luò)合比色法對PAFS形態(tài)進(jìn)行研究。將PAFS應(yīng)用于污水處理廠尾水中除磷效果研究，降低出水中總磷的含量，使其達(dá)到國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中的一級A標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)將PAFS應(yīng)用于含藻污水

2、、印染廢水的處理，獲得新的處理工藝，為新型多功能復(fù)合混凝劑的研制和應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。
　　論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　?。?）響應(yīng)面法優(yōu)化聚合硫酸鐵鋁的制備
　　以FeSO4·7H2O和含鋁材料為主要原料，濃硫酸（H2SO4）為酸化劑，濃硝酸（HNO3）為氧化劑，磷酸（H3PO4）為穩(wěn)定劑，氫氧化鈉（NaOH）為堿化劑，在不同的反應(yīng)溫度、時(shí)間、SO42-/Fe、NO3-/Fe、Al/Fe、PO43-/Fe

3、、OH/Fe摩爾比下合成聚合硫酸鐵鋁，通過 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面分析法，研制出適用于生活污水除磷、去濁且高效低毒的PAFS。結(jié)果表明：PAFS的最佳制備工藝條件為反應(yīng)溫度、時(shí)間和SO42-/Fe、NO3-/Fe、Al/Fe，PO43-/Fe、OH/Fe摩爾比分別為84℃、48.0min、0.38、0.47、0.11、0.14、0.030。在此條件下制備的PAFS對生活污水TP去除率為98.7％，與模型預(yù)測值擬合性良好，

4、偏差為0.38%。同時(shí)，濁度去除率達(dá)到98.1%。
　　將在優(yōu)化條件下制備的PAFS與工業(yè)生產(chǎn)的PAFC、PFS和PAC對生活污水的處理效果進(jìn)行對比，當(dāng)快攪速度為350rpm，快攪時(shí)間為60s，慢攪速度為60rpm，慢攪時(shí)間為15.0min，投加量為最佳投加量的時(shí)，PAFS對生活污水中TP、COD和濁度的去除率均優(yōu)于工業(yè)混凝劑PAFC、PFS和PAC。并結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益分析得出，其除磷去濁能力與市售的混凝劑PAFC、PAC和PFS相比

5、具有顯著的性價(jià)比優(yōu)勢。同時(shí)，通過Zeta電位分析研究PAFS的機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PAFS的混凝效果主要是依靠電荷中和、吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃共同作用來實(shí)現(xiàn)的。且在不同的環(huán)境下，混凝沉淀中電荷中和作用、吸附架橋作用和網(wǎng)捕卷掃作用的主次關(guān)系可能發(fā)生變化。
　?。?）聚合硫酸鐵鋁的表征及形態(tài)研究
　　通過FTIR分析可知，PAFS中含有以羥基橋聯(lián)的鐵的聚合物Fe-OH-Fe和以羥基橋聯(lián)的鋁的聚合物Al-OH-Al。而且隨著Al/Fe摩爾比

6、的增加，PAFS聚合體體積增加，說明Al的加入取代了低聚體的-OH離子，從而生成了分子鏈更長聚合度更大的聚合物。且PAFS中的聚合隨著熟化時(shí)間的延長仍在繼續(xù)。通過XRD分析可知，PAFS中 Fe的優(yōu)勢形態(tài)發(fā)生變化，主要以 Fe4.67(SO4)6(OH)2·20H2O和Fe0.2(Fe,Ti)0.6(SO4)(OH)0.8?0.2H2O的物相存在，此外還含有 FeHSO4·4H2O、Na2HPO4·2H2O、Fe2+Al2O4、AlOO

7、H等物質(zhì)。這說明PAFS是一種新的無機(jī)高分子復(fù)合混凝劑。通過 SEM表征分析可知，PAFS混凝劑結(jié)構(gòu)緊密，彼此交錯(cuò)形成高聚合度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大分子物質(zhì)，使其有優(yōu)異的吸附架橋作用和卷掃能力，增強(qiáng)其混凝性能。通過逐時(shí)絡(luò)合比色法研究了PAFS水解過程中的優(yōu)勢形態(tài)，結(jié)果顯示在在PAFS中鐵鋁的形態(tài)[Fe+Al]a占32.4%，[Fe+Al]b占21.4%，[Fe+Al]c占46.2%。
　?。?）聚合硫酸鐵鋁在污水處理中的應(yīng)用
　　將P

8、AFS應(yīng)用于污水處理廠尾水中除磷效果研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，在投加量范圍內(nèi)，隨著PAFS的投加量（以Fe3+計(jì)）的增加，TP的剩余濃度先減小后增加，而且都低于0.40mg/L，達(dá)到國家一級A標(biāo)準(zhǔn)。且在PAFS的投加量為13.0mg/L時(shí)，剩余TP含量低至0.094mg/l，去除率達(dá)到86.2%。且在此時(shí)能去除少部分NH3-N。如果將PAFS應(yīng)用到實(shí)際中去，不必再對原水pH值進(jìn)行調(diào)整，降低了成本。通過不同混凝劑處理效果比較試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PAFS的

9、除磷效果和用量明顯優(yōu)于工業(yè)生產(chǎn)的混凝劑PAFC、PAC、PFS。同時(shí)通過觀察發(fā)現(xiàn)，混凝過程中PAFS比PAFC、PAS和PFS生成絮體快、礬花大，沉降速度也相對較快。處理后的出水pH值變化幅度也相對較小，對混凝工藝設(shè)備影響較小。此外，不同混凝劑在混凝過程中生成絮體的過程、絮體強(qiáng)度的試驗(yàn)研究表明，與混凝劑 PAFC、PAC、PFS相比，PAFS具有較好的電荷中和和吸附架橋作用。PAFS在堿性條件下比在酸性條件下有更強(qiáng)的吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃作

10、用。
　　將自制的PAFS應(yīng)用于湖水中藻類去除效果研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)PAFS的投加量（以Fe3+計(jì)）為30.0mg/L，葉綠素a去除率達(dá)到95.2%?；炷宓男ЧS著水溫的升高而變好。當(dāng)原水的pH在6.5~8.5之間的時(shí)候，PAFS的除藻效果比較好。當(dāng)攪拌程序定快攪速度為350rpm，快攪時(shí)間為60s，慢攪速度為60rpm，慢攪時(shí)間為15.0min時(shí)，混凝除藻效果優(yōu)于其他攪拌程序的效果。在PAFS與PAFC、PAC與 PFS

11、進(jìn)行處理效果比較時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混凝劑投加量分別在30.0mg/L、35.0mg/L、25.0mg/L和50.0mg/L時(shí)，湖水葉綠素a去除率較好，分別為95.2%、86.3%、68.3%和62.3%。即與 PAC、PFS、PAFC相比，PAFS具有更好的混凝能力和更低的使用用量。
　　將自制的PAFS應(yīng)用于印染廢水處理效果研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)PAFS的投加量（以Fe3+計(jì)）為0.30g/L，原水pH為8.5時(shí)，PAFS對濁度去除率

12、達(dá)到95.1%，COD去除率達(dá)到82.9%，色度去除率達(dá)到90.3%，生成污泥體積為52.8mL，形成絮體較為密實(shí)。在PAFS與工業(yè)生產(chǎn)的PFS、PAC和CPAM進(jìn)行處理效果對比時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)PAFS在投加較小量的情況下就可以獲得較好的COD和濁度去除效果。且當(dāng)PAFS、PFS、PAC、CPAM的最佳投加量分別為0.50g/L、0.30g/L、0.70 g/L、0.50g/L時(shí)，色度去除率分別達(dá)到87.5%、82.7%、92.6%、82.