探究碱化度对聚合硫酸铁混凝效果的影响

聚合硫酸铁(简称聚合硫酸铁、PFS)是一种新型无机阳离子型高分子铁系混凝剂)。它具有投药量少,pH适用范围宽,浊度、色度和COD去除率高,水中残留铁离子少,水解产物脱水性能较好等优点,已广泛应用于化工、冶金、电力、采矿、煤炭、石油、市政等部门的给排水处理作业中,是一种高效、应用较广的水处理剂。

聚合硫酸铁的生产工艺有很多,工业上普遍采用亚硝酸盐为催化剂的催化氧化法生产工艺,其产品主要技术指标为Fe3+,含量160-180g/L、碱化度(即[OH]/3[Fe(Ⅲ)])为10%-16%。另据文献报道,在用0.3MFe(Ⅲ)与NaOH制备的不同OH/Fe的聚合硫酸铁对高岭土悬浊液混凝实验中发现,当OH/Fe为0～0.4阶段,Fe(Ⅲ)主要以低聚物存在,混凝效能较高;OH/Fe>0.4后,Fe(Ⅲ)生成高聚物,混凝效能略有下降;OH/Fe>1.5后,Fe(Ⅲ)趋向于生成溶胶和沉淀物,混凝效能明显降低。根据Fe(Ⅲ)有着强烈的水解聚合趋势,结合聚合硫酸铁混凝处理时的实际投加工艺,我们直接采用高浓度原液和调整不同的碱化度两个方面,研究了聚合硫酸铁在实际原水中的除浊效果。

1　实验部分

(1)主要仪器　DBJ-621定时变速搅拌机;比光式浊度仪。

(2)不同碱化度聚合硫酸铁的制备　实验采用氯酸钠直接氧化法制备Fe3+含量为14.6%,碱化度分别为0.1%,4.9%,10.1%,15.1%,19.8%,24.8%的高浓度液体聚合硫酸铁。

(3)絮凝实验　实验水样为合肥市董铺水库原水,水温25℃,浊度60,pH7.4。聚合硫酸铁的加入法,采用现稀释现用加入法,称取10克Fe3+含量为14.6%的各种不同碱化度的高浓度液体聚合硫酸铁,快速稀释至100mL容量瓶中,摇匀,立即按一定量加入原水中,以尽量保持Fe(Ⅲ)在高浓度状态进入混凝试验和减少聚合硫酸铁投加量的人为误差。混凝搅拌沉降，取1000mL水样,加入一定量的聚合硫酸铁,在100～120r/min转速下搅拌2min,在40～60r/min转速下搅拌5min,静置15min,取上层清液测残留浊度。

2　结果与讨论

(1)碱化度对除浊效果的影响　Fe3+含量为14.6%的不同碱化度聚合硫酸铁对合肥市董铺水库原水进行了混凝除浊试验,其聚合硫酸铁原液加入量为40mg/L,结果见表1。
 

从表1可以看出,聚合硫酸铁的碱化度在0～20%之间除浊效果差别不大,均有较佳的除浊效果。但当碱化度超过20%后,除浊效果降低。这是因为碱化度在0～20%之间,其Fe(Ⅲ)的形态以低聚物为主,胶粒电荷量大,可发挥较佳的电荷中和而凝聚脱稳作用,且伴随着Fe(Ⅲ)的快速水解聚合,可发挥较佳的专属吸附、粘结架桥及卷扫絮凝作用,故有较佳的除浊效果;碱化度超过20%后,其Fe(Ⅲ)的形态逐渐转化为以低电荷的高聚物为主,投加后易转化为Fe(OH)3沉淀物,难以发挥电荷中和而凝聚脱稳作用,更多地表现出粘结架桥和卷扫絮凝作用,除浊效果明显降低。

(2)不同加入量的除浊效果及安全投加范围　Fe3+含量为14.6%,碱化度为15.1%的聚合硫酸铁在不同加入量时的除浊效果见表2。
 

从表2可以看出,聚合硫酸铁加入量超过某一浓度后,才能发挥较佳的除浊效果。当聚合硫酸铁加入量不足时,其水解生成的有色氢氧化铁会重新被原水中负电胶粒吸附分散稳定而导致浊度升高;随着加入量的增加,发生电荷中和凝聚脱稳及吸附架桥和卷扫絮凝作用增加,残留浊度逐渐降低;加入量超过某一浓度后,残留浊度很快降低,发挥较佳的除浊效果。

另外,当聚合硫酸铁加入量在40～70mg/L时,残留浊度均较低,除浊彻底,说明聚合硫酸铁混凝剂达到较佳除浊效果时存在一个较宽的安全投加范围,至于投加量大于70mg/L的除浊效果,从混凝工艺和经济角度上看已无测试的必要。

(3)采用氯酸钠直接氧化法制备的高浓度聚合硫酸铁混凝剂,在低浊度实际原水中的除浊试验结果表明,碱化度为0～20%之间聚合硫酸铁均有较佳的除浊性能,超过20%后,除浊效果明显下降。

(4)聚合硫酸铁混凝剂安全投加量范围宽,除浊彻底,但是聚合硫酸铁制备方法多样、混凝过程的作用机理和影响因素复杂多变,被处理原水或废水成分的状态和构成多样,因此,应进一步探索不同碱化度的聚合硫酸铁在各种原水或废水中的混凝效能,以提高其使用的经济性。