聚合氯化铝铁
环境污染与防治 第29卷 第9期 2007年9月
聚合氯化铝铁的电动性能研究
曹 福1 刘 红2 吴克明2
(1. 江苏科技大学生物与环境工程学院, 江苏 镇江212003; 2. 武汉科技大学资源与环境工程学院, 湖北 武汉430081) 摘要 通过测定Zeta 电位对聚合氯化铝铁(PAFC) 水解产物的电动特性进行了研究。通过对模拟悬浊水样的絮凝实验对
PAFC 除浊性能进行了考察。结果表明:PAFC 水解产物的电动特性与pH 、PAFC 投加量和Al/Fe 摩尔比的变化密切相关; PAFC 是通过电中和、吸附架桥和卷扫作用起混凝作用的, 3种作用的综合能力越强, 其混凝效果就越好。
关键词 聚合氯化铝铁 絮凝剂 电动特性
Research on the electrokinetic properties of polyaluminium ferric chloride Cao Fu 1, L iu H ong 2, W u K eming 2. (1. School of B iol ogy and E nv ir onment Engineer ing , J iangsu Univ er sity o f Science and T echnology , Zhenj iang J iang su 212003; 2. College of Resour ces and E nv ironment Eng ineer ing , W uhan Univ er sity of Science and T echnolo-gy , W uhan H ubei 430081)
Abstract: T he electr okinetic propert ies of polyalum inium ferr ic chlo ride (P AF C) wer e tested by zeta potential measurement under different pH conditio n, v ario us do sag es and different A l/Fe molar rat io. T he turbidity r emo val efficiency of PA FC was investig ated by jar test w ith a synthetic w ater sample. T he ex per iment r esults sho wed t hat the co agulat ion of part icles by PA FC polymer s in this w ater was throug h the fo llow ing mechanisms:char ge neutr aliza -t ion, adsor ption br idging and precipitatio n sw eeping , w ith the first tw o do minating. T he better the synthesis of the three mechanisms, the bet ter the coagulation effect.
Keywords: Polyaluminium f er ric chlor ide Coag ulant Electro kinet ic char acter s
聚合氯化铝铁(PAFC) 是近几十年开发研制出来的一种新型复合絮凝剂, 它兼有铁盐和铝盐絮凝剂的特点, 具有反应速度快、形成絮凝体大、沉降快和过滤性强等优点, 已成为人们关注的新焦点。 在废水混凝处理中, 胶体颗粒的脱稳状态与其自身及投加絮凝剂的荷电情况密切相关, 因此往往把混凝剂本身的电动特性作为一个首要且十分重要的研究内容, Zeta 电位法就是一种较好的研究方法。笔者采用微电泳测定技术系统研究了PAFC 混凝剂的电动特性, 为进一步研究PAFC 的混凝效果及作用机理提供借鉴。1 主要试验仪器及药品
DXD -Ⅰ型电视显微电泳仪; MET TLER T O -LEDO AB -E 分析天平; GDS -3B 型光电式浊度仪; Phs -25型酸度计; JJ -4型六联电动搅拌机。 PAFC:自制, AL 2O 3质量分数为31. 88%, Fe 2O 3质量分数为2. 13%, pH=4. 1, 盐基度84. 21%。 乳化油(FUCHS PETROLUB AG MZA 30S) 。
[1]
2 试验方法2. 1 Zeta 电位测定
在DXD -Ⅰ型电视显微电泳仪上观测水样, 控制粒子通过1格的时间为8~20s, 连续观察沿正负极方向各10个絮凝粒子迁移一定格数所需的时间, 取通过单个格平均时间t , 记录体系温度、电压, 按下式计算Zeta 电位[2]:
Zeta 电位=
2@300, L =, E =E E E d
式中:L 为电泳淌度, V; G 为液体的粘度系数, Pa #s, 与温度有关, 20e 时为0. 001Pa #s; E 为液体的介电常数, F/m , 在20e 时为80F/m ; E 为电位梯度, 即电场强度, V/cm ; v 为颗粒电泳迁移平均速度, cm /s; U 为电泳池两端电压, V; d 电极距离, cm, 取d =11cm 。2. 2 混凝试验方法
取一定体积的乳化油, 按比例加入适量体积的水, 模拟配制成一定浓度的乳化液。取烧杯若干, 各
第一作者:曹 福, 男, 1972年生, 硕士, 讲师, 主要从事污水处理及回用研究。
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曹 福等 聚合氯化铝铁的电动性能研究
置入400mL 乳化液, 快搅(150r /min) 下用NaOH 或H Cl 调节pH 并加入混凝剂, 快搅4min 后转为慢搅(50r/m in) 6m in, 静置20min 后, 于距上液面3cm 处吸取部分清液测浊度, 并用吸管吸取部分沉淀和清液约30mL 水样进行Zeta 电位测定。3 试验结果与讨论
3. 1 原水在不同pH 下的Zeta 电位
乳化油伸入水中的部分电离成为离子, 油水界面上出现双电层, 带有相同电荷的双电层相互重叠使液滴之间相互排斥, 而形成稳定的乳化液。油水界面上的电荷及表面膜是乳化液稳定的根本原因, 也是引起乳化液浑浊的主要因素。试验首先测定了乳化液在不同pH 条件下Zeta 电位的变化情况。图1为不同pH 下乳化液的Zeta
电位。
从图2可见, 在pH 7. 7时, 水解产物的Zeta 电位为负值。在pH =5. 3时, 水解产物的Zeta 电位达到最高值(76. 0m V) , 此后随pH 升高, Zeta 电位呈下降趋势, 并在pH =7. 7处, 水解产物Zeta 电位值为零, 即达到等电点。
上述结果定性说明了PAFC 水解产物的形态随pH 变化的情况, 即PAFC 在溶液中的存在状态决定于溶液的pH 。溶液的pH 不同, 则有不同形态的水解产物。在低pH 下, PAFC 水解程度较大, 主要以低聚合物为主; 随着pH 的不断升高, PAFC 水解产物强烈趋于聚合生成各种正电荷多核络离子, 此时其水解产物已由低聚物发展成高电荷的较大的聚合物, 溶液中以高电荷多核络合物为优势, 表面电荷密度较大。另外, 在低pH 情况下, 溶液中H 浓度较高, PAFC 的水解产物表面吸附的H +也较多, 因而Zeta 电位值较高; 随着pH 的升高, 溶液中OH 的浓度不断增加, 吸附到PAFC 水解产物表面的OH 也越来越多, 其胶粒表面所带的负电荷不断增加, 因此PFAC 水解产物表面的Zeta 电位值也随之降低。
3. 3 不同pH 下PAFC 处理乳化液的效果及Zeta
电位
--[3]
+
图1 不同pH 下乳化液的Zeta 电位
F ig. 1 Z et a po tential o f emulsion wastew ater as
a functio n o f pH value
在乳化液废水中加入1300m g/L 的PAFC, 改变废水pH , 测Zeta 电位及浊度, 结果见图3
。
从图1可见, 随着pH 升高, Zeta 电位绝对值上升。pH 2时, 随pH 的增加Zeta 电位绝对值上升; 在pH =7. 2时, Zeta 电位为-72. 2mV, 其绝对值达到最大; 在pH >7. 2时, Zeta 电位趋于平稳, 其绝对值略有下降。3. 2 PAF C 水解产物的表面电性
应用DXD -Ⅰ型电视显微电泳仪测得摩尔浓度为0. 01mol/L 的PAFC 水解产物的Zeta 电位与pH 的变化曲线, 见图2
。
图3 PAFC 在不同pH 下的混凝效果及Zeta 电位
F ig. 3 T he efficiency of coag ulation and Zeta potential o f
P AF C as a funct ion of pH value
根据DLVO 理论, 胶体的聚集稳定性主要决定于胶体颗粒表面的Zeta 电位, 即胶体滑动面上的电位。向水中投加正电荷的混凝剂, 压缩胶体扩散层, 会使滑动面上Zeta 电位降低。一旦Zeta 电位减小到一定程度或完全消失, 即达到等电点, 在水流的扰动下胶体就会凝聚下沉。图3表明, PAFC 的最佳
图2 PAFC 水解产物的Zeta 电位F ig. 2 Zeta potentia l of P A FC hydrolysate
混凝pH 为6~9。在pH =4~5时废水Zeta 电位最大, 之后Zeta 电位随pH 的增大而减小, 在pH =
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环境污染与防治 第29卷 第9期 2007年9月
7左右时混凝废水电位接近于0mV, 即达到等电点, 混凝效果最好, 浊度去除率高达96. 2%。随pH 的升高Zeta 电位继续减小并呈现负值, 但浊度仍有很好的去除效果, 此时主要是由于PAFC 的吸附架桥和卷扫作用占主导。
混凝剂在水溶液中主要是通过电中和、吸附架桥和卷扫等作用达到混凝除浊的效果。在低pH 时, PAFC 水解产生正电荷低聚合物, 混凝作用主要以电中和为主, 综合能力较低, 因而去除效果差。随着pH 上升, 正电荷多核络离子逐渐占据优势。这些正电荷多核络离子中和乳化液表面的负电荷达到脱稳, 同时正电荷多核络离子或金属氢氧化物凝胶物对脱稳的微粒产生粘接架桥和卷扫作用而使乳化液微粒聚沉, 所以混凝除浊效果最佳。pH 再升高, PAFC 水解产物的电荷迅速降低, 导致综合能力降低, 混凝除浊效果较差。
3. 4 PAFC 投加量对乳化液处理效果及Zeta 电位
的影响
调节pH 在7. 2左右, 改变PAFC 投加量, 测Zeta 电位及浊度, 结果见图4
。
效果较好并略有下降, 说明虽然PAFC 水解生成的凝胶物的架桥和卷扫作用使脱稳的微粒产生粘接沉淀, 但由于微粒表面所带正电荷过多, 过量的正电荷导致废水微粒再稳定, 所以混凝除浊效果低于等电点时的混凝除浊效果。
3. 5 搅拌时间对乳化液处理效果及Zeta 电位的影响 搅拌时间是实际废水絮凝处理中重要的影响因素之一。搅拌一般分为两个阶段, 前一阶段包含絮凝剂和胶体的物理混合及脱稳胶体的初期凝聚过程, 在实际工程中更为重要, 为此将快搅(150r/m in) 的搅拌时间作为变量进行试验; 后一阶段以50r/min 搅拌6min 。考察了快搅时间对处理效果及Zeta 电位的影响, 结果见图5
。
图5 快搅时间对浊度去除率及Zeta 电位的影响
Fig. 5 T he efficiency of co agulat ion and Zeta potential with
different times
从图5可见, 快搅时间对Zeta 电位影响不大; 浊度去除率受快搅时间影响较大, 快搅1min 时浊度去除率只有70. 5%, 当4m in 时高达95. 1%, 以后趋于平缓。这主要是PA FC 加入后要通过快搅在废水中分散均匀。快搅时间短, PAFC 分散不均, 局
图4 PAFC 投加量对浊度去除率及Zeta 电位的影响F ig. 4 T he efficiency of coag ulatio n and Zeta po tent ial o f
PA FC w ith different do sag es
部浓度大, 水解产生高正电荷多核络合物, 同时排斥周围正电荷, 最后使得正电荷在水中分散均匀, 大部分废水微粒表面吸附一定量的正电荷, 起到电中和作用, 因而其对Zeta 电位影响较小; 而PAFC 局部浓度大, 一方面使得一部分废水微粒不能被絮凝剂吸附, 失去PAFC 对其的絮凝作用, 另一方面部分PAFC 又被微粒的架桥和卷扫作用包裹在絮体之中, 失去絮凝作用, 因而快搅时间短絮凝效果较差。3. 6 PAFC 的Al/Fe 比对乳化液处理效果及Zeta
电位的影响
制备不同的A l/Fe 比(R , 摩尔比, 下同) 的PAFC 进行混凝试验, 调节pH 为7. 2左右, 改变PAFC 投加量, 测定浊度和Zeta 电位, 结果分别见图6和图7。
从图6可见, 在PAFC 投加量小于800mg /L 时, 混凝效果顺序为PAFC(R =1B 9) >PAFC (R
从图4可见, 随PAFC 投加量的增加, Zeta 电位和浊度去除率不断上升; 当投加量为1200mg /L 时, Zeta 电位接近于0mV, 达到等电点, 此时浊度去除率高达94. 6%; 再增加投加量, 浊度去除率提高不明显。
在PAFC 投加量小于1200mg/L 时, 随着投加量的增加, 废水的Zeta 电位绝对值在不断减小, 可知在混凝过程中电中和起主要作用。在低投加量时, PAFC 水解不能提供足够的正电荷来中和废水表面的负电荷使胶体脱稳沉淀, 因而处理效果较差。在投加量为1200mg/L 附近, Zeta 电位接近于0mV, 达到等电点, PAFC 恰好提供足够的正电荷中和废水表面的负电荷使胶体脱稳沉淀, 处理效果最好。在PAFC 投加量大于1200mg/L 时, 混凝除浊#
曹 福等 聚合氯化铝铁的电动性能研究
=5B 5) >PAFC(R =9B 1) ; 在投加量大于800mg/L 时, 混凝效果顺序为PAFC(R =9B 1) >PAFC(R =5B 5) >PAFC(R =1B 9) 。混凝过程中观察到PAFC (R =9B 1) 形成的矾花呈白色, PAFC(R =1B 9) 形成的矾花呈黄色, PAFC(R =5B 5) 形成的矾花颜色介
于两者之间。
参考文献
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析[J ]. 重庆环境科学, 2003, 25(8) :7-9.
责任编辑:赵 多 (修改稿收到日期:2007-04-16)
(上接第673页)
(5) 空心莲子草的净光合速率在全天较长时间内均保持了较高水平, 积累了大量能量。
图6 Al/F e 比对混凝效果的影响
Fig. 6 T he efficiency of co ag ulation with differ ent A l/F
e
(6) 空心莲子草在光合作用方面所表现的上述特征是其能够迅速生长的重要原因之一, 也是对其防治研究应考虑的问题。 (致谢:对范海副教授、PD Dr. LORENZ M W 和朱立涛同学的帮助, 一并致谢。) 参考文献
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图7 Al/Fe 比对Zeta 电位的影响
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从图7可见, Zeta 电位总的趋势是PAFC (R =9B 1) >PAFC(R =5B 5) >PAFC(R =1B 9) , 主要原因是在pH >5时, Fe 的Zeta 电位低于Al
的Zeta 电位[4], 因而PAFC 的Zeta 电位随A l/Fe 比的增大而增大, 由此可以推断在此pH 范围内高Al/Fe 比的PAFC 电中和能力比低A l/Fe 比的PAFC 要强。结合图6可以发现, 在投加量小于800mg/L 时, 高Al/Fe 比的PAFC 的处理效果反而变差, 说明在此范围内低Al/Fe 比的PAFC 的吸附架桥能力高于高Al/Fe 比的PAFC 。4 结 论
(1) pH 对PAFC 的混凝处理效果十分敏感, 在pH =7左右时混凝废水达到等电点, 混凝效果最好, 浊度去除率高达96. 2%; 随着pH 的升高PAFC 的电中和能力减弱, 吸附架桥和卷扫作用占主导。 (2) 高A l/Fe 比的PAFC 电中和能力比低Al/Fe 比的PAFC 要强, 但在小投加量时其吸附架桥能力比低Al/Fe 比的PAFC 要弱。
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责任编辑:赵 多 (修改稿收到日期:2007-05-08)
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