聚合硫酸鐵(簡稱聚鐵)在工業上獲得了廣泛的應用,但是對其質量指標評定之一的鹽基度,卻有著不同的看法:一種觀點認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,絮凝時形成的礬花越大,絮凝效果越好,絮體沉降速度越快;還有的認為鹽基度并不能作為判斷聚合硫酸鐵質量優劣的指標,而僅僅是一個操作參數。我國規定鹽基度大于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品。　　

基于對鹽基度的不同看法,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,通過絮凝性能實驗,就聚合硫酸鐵的鹽基度與其絮凝性能關系進行了系統的實驗研究,得出了自己的實驗結論,并對聚合硫酸鐵絮凝的機理進行了初步的探討。

1　聚合硫酸鐵溶液的制備　　

首先通過調節、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,供絮凝性能實驗。

2　絮凝實驗

2.1　模擬水樣配制　　

準確稱取140目篩下物的硅藻土樣品12g置于1000mL安德遜沉降管內,加入水至刻度,塞上塞子搖勻,即可作為進行一次絮凝實驗的模擬水樣。

2.2　實驗方法　　

本實驗采用改進后的安德遜沉積分析儀進行絮凝性能實驗。由于安德遜沉積分析儀的吸管內徑太細,而絮凝實驗時產生的絮體較大,致使在取樣過程中,吸管經常堵塞而吸不上液體,使實驗產生很大誤差,為此實驗中用移液管代替吸管,并將移液管吸口端磨掉一部分,以使吸口部位內徑增大,防止堵塞而造成誤差。

2.3　實驗步驟　　

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

2.4　實驗結果　　

實驗表明,不同鹽基度聚合硫酸鐵的絮凝性能實驗曲線,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,但當聚合硫酸鐵加入量達一定時,濁度基本保持不變,也就是說絮凝性能實驗曲線有一轉折點,但鹽基度不同,轉折點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驗曲線。

2.5　聚合硫酸鐵鹽基度與絮凝性能的關系　　

為進一步考察鹽基度對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方具有代表性,故從圖中分別讀取轉折點附近2.5mg、3.5mg聚合硫酸鐵加入量時的取樣濁度,并繪制出相應的鹽基度和濁度的關系曲線,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,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系的理論探討

3.1　絮凝機理簡介　　

絮凝劑的絮凝機理主要可歸結為如下四種:　　

(1)壓縮雙電層作用:帶同號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,膠粒之間又總是存在著范德華引力。　　

在穩定膠體中,膠粒互相接近的動力主要來源于布朗運動的動能,它遠遠小于排斥勢能,這就是膠體長期穩定、久置不沉的根本原因。向膠體溶液中投加電解質,增大了溶液主體中的離子強度,使膠團的擴散層受壓變薄,ζ電位降低,當排斥勢能低至不能阻礙膠粒互相聚集時,膠體就處于脫穩狀態;擴散層很端壓縮時,在開始產生排斥的距離上,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勢,此時膠粒每次碰撞都能促成凝聚。　　

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

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

(4)吸附、架橋作用:作為混凝劑的高分子物質如聚合硫酸鐵高聚物,均具有線性結構。膠體微粒對這類高分子物質具有強烈的吸附作用,高聚物線型長度較大,它可以在相距較遠的兩膠粒之間進行吸附、架橋。當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—微粒的結構。較后,各個高分子再互相搭接,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鏈作為橋梁將其連接在一起的。

3.2　ζ電位測定　　

(1)測定方法:為探討聚合硫酸鐵絮凝機理,筆者挑選兩個具有代表性的聚合硫酸鐵產品(鹽基度分別為5.85%和18.87%)作了ζ電位測試。本實驗采用Zeta-Master激光電動電位測定儀測量。在蒸餾水和自然pH下測定。　　

(2)測定結果:測定結果如圖4所示。　　

(3)測定結果分析如下: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從而發生再穩定現象,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并發生再穩定現象。結合聚合硫酸鐵絮凝效果實驗可知,當聚合硫酸鐵加入量達一定時,雖足以引起電荷反號,導致ζ電位變正且趨于穩定,但聚合硫酸鐵的絮凝效果仍很好,說明在絮凝過程中粘結、架橋和卷掃作用等因素同時在發揮作用,且這種作用很大。聚合硫酸鐵的穩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,聚合硫酸鐵的穩定性越差,在存儲、使用過程中越易形成沉淀。本絮凝實驗體系中,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,產生沉淀的趨勢越大。如此一則在沉淀物的形成、下沉過程中,對懸浮物起網捕作用,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。　　

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

4　結論　　

由于低鹽基度聚合硫酸鐵的穩定性好,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于高鹽基度聚合硫酸鐵,而高鹽基度聚合硫酸鐵的網捕作用更好,總的結果是低鹽基度聚合硫酸鐵的絮凝性能明顯優于高鹽基度的聚合硫酸鐵。　　

較后需要說明的是:雖然由本研究實驗體系得出了上述規律性結果,但這里并不排斥應用其他制備方法或絮凝實驗體系時,實驗結果可能會有所不同。