無機(jī)高分子復(fù)合混凝劑PPFS的制備、表征及其應(yīng)用.pdf

1、混凝工藝是水處理中最重要的處理工藝之一。混凝工藝的核心技術(shù)是混凝劑的開發(fā),混凝劑的優(yōu)劣是決定混凝效果甚至整個水處理效果的關(guān)鍵因素之一?；炷齽┛膳c水溶液中的溶質(zhì)、膠體和懸浮物顆粒產(chǎn)生混狀物沉淀,從而達(dá)到去除水體中各種污染物質(zhì)的目的。開發(fā)新型高效優(yōu)質(zhì)混凝劑產(chǎn)品以提高水處理效果、降低成本、拓展應(yīng)用領(lǐng)域,是水處理工作中的一項重要任務(wù)。目前,一方面是水資源的不斷減少,另一方面是污水和廢水的排放規(guī)模不斷加大種類不斷增加,水中污染物的成分日趨復(fù)雜,對

2、環(huán)境的危害日益加重。因此,水處理的難度進(jìn)一步加大,特別是傳統(tǒng)的混凝劑已不能滿足現(xiàn)有混凝技術(shù)的需要,新型混凝劑的研究和開發(fā)已成為當(dāng)今世界各國的重要研究課題之一。
　　 聚磷硫酸鐵(簡稱PPFS)是基于磷酸根對聚合硫酸鐵(簡稱PFS)的強(qiáng)增聚作用,在PFS制備過程中引入了適量的磷酸鹽,使得PPFS中產(chǎn)生了新一類高電荷的帶磷酸根的多核中間絡(luò)合物。與傳統(tǒng)的無機(jī)混凝劑相比較,它具有絮體形成快、顆粒密度大、沉降速度快、對TP去除率高等特點,

3、且具有安全無害、無二次污染、高效低耗、成本低廉、附加值高、對水溫和pH值適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點,可部分取代價格昂貴的有機(jī)高分子混凝劑。PPFS是目前有極好的發(fā)展和應(yīng)用前景的鐵系物結(jié)高分子混凝劑之一,可以用于各種工業(yè)廢水、生活污水及飲用水的處理工藝中。
　　 論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　 (1)PPFS制備條件的單因素分析表明,制備溫度為80℃、制備時間為60min時有利于PPFS的制備,nPO43-/nFe3+、B分別

4、為20％時,產(chǎn)品穩(wěn)定且混凝效果最好。在此基礎(chǔ)上,選擇了nPO43-/nFe3+、B和制備溫度進(jìn)行了正交試驗,結(jié)果表明在nPO43-/nFe3+為0.3、B為30％、制備溫度為80℃條件下制備的PPFS對模擬廢水的去除效果最好。兩次試驗的B值有所不同,這表明制備因素之間有一定的交互作用。
　　 (2)考察了制備的PPFS的穩(wěn)定性。與PFS相比,由于PPFS中引入了PO43-,從而改變了Fe的聚合形態(tài),并削弱了Fe的水解能力,使得P

5、PFS更加穩(wěn)定。
　　 (3)研究了PPFS水解過程中的優(yōu)勢形態(tài),并考察了引入PO43-后,PPFS在結(jié)構(gòu)、組成成分及表面微觀形貌上的變化。根據(jù)逐時絡(luò)合比色法,在PPFS中鐵的主要形態(tài)是Fea和Fec,Feb為前兩者的過渡平衡態(tài),且含量很少。發(fā)揮好的混凝效果主要是以高鐵聚合物存在的Fec形態(tài)。通過紫外吸收光譜分析,得出聚磷硫酸鐵混凝劑中鐵的形態(tài)主要主要以Fe5(OH)96+、Fe5(OH)87+、Fe5(OH)78+、Fe6(O

6、H)126+、Fe7(OH)129+和Fe7(OH)1110+等形式存在。與PFS的紫外光譜吸收相比,PPFS在450mm處產(chǎn)生一新的吸收峰,這說明磷酸根的引入改變了PFS中鐵的形態(tài),可能生成了[Fex(OHy]2H2PO4(6x-2y-1)+、[Fex(OH)y]2HPO4(3x-y-1)+、[Fex(OH)y]2PO4(6x-2y-2)+等大分子絡(luò)合物,其具體結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步研究。并且nPO43-/nFe3+為0.3,B為0.2時,P

7、PFS的高聚態(tài)濃度較大。通過紅外光譜分析可知,PPFS在3400cm-1和1640cm-1處的2個特征吸收峰峰形基本相似,只是峰的面積和波數(shù)有所變化,可認(rèn)為是分子中的-OH的伸縮振動和結(jié)合水分子H-O-H的彎曲振動,而在波數(shù)為900～1200cm-1峰形的變化比較明顯,這些峰可能為Fe-OH-Fe或Fe-PO4的振動,這說明聚合硫酸鐵和磷酸根復(fù)合后,PFS中的水解絡(luò)合鐵離子與共存的磷酸根發(fā)生了反應(yīng)生成Fe-PO4聚合物。通過X-射線衍射

8、分析可知,PPFS中主要Fe4.67(SO4)6(OH)2·20H2O、FeHSO4·4H2O、Na2HPO4·2H2O等物質(zhì)存在。XRD分析表明由于PO43-的加入,形成新的磷鐵聚合物物相,說明PPFS是在PFS基礎(chǔ)上制備的一種新的無機(jī)高分子復(fù)合混凝劑。SEM表征分析表明,PO43-的加入使得在PFS表面形成了大量的聚合物支鏈,這賦予PPFS優(yōu)異的架橋作用,增強(qiáng)了其混凝性能。
　　 (4)將PPFS實際應(yīng)用至城鎮(zhèn)生活污水的試驗

9、中,發(fā)現(xiàn)PPFS對SS、COD和TP,特別是TP,均有良好的去除作用。采用單因素試驗方法,針對PPFS處理生活污水的主要影響因素加以分析,包括nPO43-/nFe3+、B和投加量。以生活污水中COD、TP的去除率為考察對象,采用Box-Behnken中心組合試驗和響應(yīng)面分析方法對主要影響因素加以優(yōu)化,得到了二次響應(yīng)曲面模型以及優(yōu)化的水平值。結(jié)果表明PPFS混凝去除COD的最優(yōu)因素條件為:nPO43-/nFe3+為0.28,B為18.76

10、％,投加量為77.57 mg/L,在此條件下,COD去除率平均值為75.98％。對TP的最適因素條件為:nPO43-/nFe3+為0.36,B為18.26％,投加量為71.37 mg/L,在此條件下,TP去除率平均值為93.64％。通過回歸分析,COD和TP模型擬合性良好,但COD的相關(guān)性低于TP,這主要是由于混凝實驗和COD測定,特別是低濃度的COD值測定時產(chǎn)生的誤差所致。
　　 此外,還與PFS處理城鎮(zhèn)生活污水相比的效果進(jìn)行

11、的對比,結(jié)果表明PPFS的除濁、COD、TP效果好于PFS,且污水處理后pH值也較穩(wěn)定。PPFS的用于生活污水處理時,存在電中和、吸附架橋、網(wǎng)捕等多種的作用,但絮凝效果最好時以吸附架橋作用為主。
　　 (5)選用TOC的去除率和在紫外波長為254nm處的吸光度作為有機(jī)物去除的總體指標(biāo),選用6種鄰苯二甲酸酯類化合物以及15種多環(huán)芳烴類化合物為細(xì)化指標(biāo),考察了PPFS對嘉陵江水的實際去除效果。從TOC和UV254的測定結(jié)果看,PPF

12、S對嘉陵江水中的有機(jī)物有一定的去除作用。通過對PAEs和PAHs類物質(zhì)的檢測結(jié)果來看,PPFS對這兩類有機(jī)物的去除效果較為顯著。通過響應(yīng)面法對影響混凝效果的因素進(jìn)行優(yōu)化,得到了二次響應(yīng)曲面模型以及優(yōu)化的水平值。得到的TOC二次響應(yīng)曲面模型擬合性好,PPFS混凝去除TOC的優(yōu)化因素條件為:nPO43-/nFe3+為0.30,B為28.54％,投加量為16.35mg/L,得到TOC的去除率平均值為21.71％。PPFS的用于嘉陵江水的處理時