聚硅酸铝锌絮凝剂的制备及表征

随着工业的迅速发展,人口剧增,人类赖以生存的水资源日益匮乏。70年代以来，环境保护在世界范围内的兴起,废水处理得到更加广泛的重视,相应也促进了絮凝剂的研究。

絮凝剂可以分为无机、有机和微生物三大类。有机、微生物的絮凝剂很多,但应用不如无机絮凝剂类广泛。无机高分子絮凝剂比低分子絮凝剂处理效果好,且生产成本和价格相对较低,因此在水处理中已逐渐成为主流药剂^[1]。

现阶段，絮凝剂在国内发展迅速并且多种多样，无机高分子混凝剂具有相对较好的混凝能力，被广泛用于水处理行业中，但是具有生物难降解等缺点，所以近几年来研制各种新型复合型絮凝剂已逐渐成为混凝剂不断研发的主要趋势^[2]。新型复合型絮凝剂相对于传统絮凝剂价值低廉且高效^[3]。新型复合型絮凝剂大多数除具有优良的絮凝性能外,还具有杀菌、脱色、缓蚀等多种功能。就组分看,目前无机复合型高分子絮凝剂大致可以归纳为：金属离子(Al³ 、Fe³ 、Ca² 、Mg² 、Zn² 等)复合型,酸根复合型,以及上述两类之综合^[4]。聚硅酸金属盐就是一类新型复合型无机高分子絮凝剂,是在聚硅酸及传统的铝盐、铁盐等絮凝剂的基础上发展起来的聚硅酸与金属盐的复合产物^[1]。

聚硅酸是硅酸钠在酸性条件下水解，聚合反应生成的一种可溶性胶体产物，有着巨大的比表面积以及高电荷密度，历来被认为是较好的水处理絮凝剂和助凝剂，但其稳定性能较差，所以在实际操作中常与铝盐、铁盐及无机高分子混凝剂合铝、聚合铁等配合使用^[5]。由于聚硅酸具有强烈的缩聚作用,在缩聚反应过程中,其分子质量不断增大,最终转化为高分子凝胶,失去混凝活性,因而不能长期存放,必须现用现配，因此它在实际净水处理过程中的应用受到了很大的限制^[6]。聚硅酸絮凝剂一般都带负电,对水溶液中的胶体离子不具有电中和能力,主要依靠大分子形成吸附架桥作用形成沉淀。在硅酸盐溶液中加入适量铝离子，能有效改善电中和能力，提高絮凝效果^[7]。

聚硅酸金属盐是一类新型无机高分子混凝剂,是在聚硅酸(即活化硅酸)与传统的铝盐、铁盐等混凝剂的基础上发展起来的聚硅酸与金属盐的复合产物。该类絮凝剂具有电中和及吸附架桥作用，结合了聚硅酸和无机盐的优点^[8]。聚硅酸和多种金属离子形成的聚合物，除了有无机高分子絮凝剂的优点之外，因为异核金属离子的交错排列能形成更稳定更长的分子链，一方面增强其聚合度，另一方面金属离子带入的电荷，增强其吸附电中和能力，聚硅酸铝锌也是一种新型无机高分子混凝，锌离子的加入有助于链网状结构形成的趋势，使得絮凝剂在絮凝过程中有更好的絮凝吸附特性。从絮凝机理分析,锌系絮凝剂具有良好的絮凝效果归根于它的链网状结构,在混凝过程中除了能形成吸附作用较强的 Zn(OH)₂ 及多核羟基配合物外,还可同时发生电中和、吸附架桥和网捕3种功能,并且由于金属盐、稳定助剂和聚硅酸的吸附络合作用, 具有较好的稳定性。单纯的聚硅酸铝絮凝剂形成的链状结构不明显,在铝硅比较小的情况下溶液中出现的多为大小不等的球形颗粒,但Zn² 的加 入有助于形成链网状结构,使絮凝剂在絮凝过程中产生良好的絮凝吸附特性以及大分子的桥联卷扫作用。刘和清、袁天佑等通过透射电镜观察聚硅酸锌的结果表明:聚硅酸锌是一种层状、链网状结构,它不同于聚硅酸和含三价铝盐的聚硅酸铝絮凝剂。后者呈现为球形立体网格机构。两者结构上的差异导致两者絮凝效果明显不同,前者以吸附桥联卷扫包裹为主,效果优于后者；后者以吸附为主,效果不如前者。

聚合硅酸盐复合絮凝剂原料来源广泛，成本低，絮凝效果好，在水处理中占有很高的地位，发展前景十分可观^[9]。

研究发现锌盐是一种常用的、极好的缓蚀剂,它成膜迅速,成本低,因此,近两年出现的新型含锌絮凝剂,具有安全无毒、无腐蚀等优点^[8]。由其组成的含锌絮凝剂具有安全，无腐蚀等优点^[10]。用于废水处理，能形成高密度的絮体，沉降快^[11]。

本文主要研究的是聚硅酸铝锌絮凝剂，在聚硅酸溶液中加入适量锌离子，铝离子，形成一种新型絮凝剂^[12]。该絮凝剂具有絮凝沉降快，澄清效果好，沉淀物含水率低，处理费用低等优点^[13]。聚硅酸铝锌也应用于多种工业废水的处理，研究表明废水浊度，COD_cr去除率高，而且操作简单，成本低。应用于含油废水效果也明显高于其他絮凝剂^[14]。