[中图分类号]TQ314.253[文献标识码]A[文章编号]1005-829X(2009)09-0041-04
近年来，水处理行业对无机复合絮凝剂的开发给予了高度重视〔1〕。聚合硫酸铁(PFS)是一种良好的絮凝剂。但PFS的生产包括氧化、水解和聚合等反应步骤，生产成本较高。其中，氧化步骤是造成其生产成本高的主要原因。据文献〔2〕～〔4〕报道，镁作为水处理剂具有絮体生成快，颗粒较粗，密度较大，絮体沉降速度比较快，且污泥含水量较低，除浊及脱色效果高于铝盐等优点。笔者用一种廉价的原料部分替换铁，通过减少氧化剂用量来降低成本，同时能保持产品较好的应用性能，即以硫酸亚铁和氧化镁为主要原料，制备了镁铁复合絮凝剂(PFMS)，研究了制备条件及镁铁配比对其絮凝性能的影响。
1.材料与方法
1.1材料与仪器
FeSO4.7H2O(分析纯)，MgO(工业品)，NaClO3(分析纯)，浓H2SO4(质量分数95%～98%)，高岭土，直接耐晒黑GF等。
DK-S24电热恒温水浴锅，JJ-1精密增力电动搅拌器，JJ-4六联电动搅拌器，LP2000-11型浊度仪，SP-722E分光光度计，WMX微波密封消解COD速测仪等。
1.2实验方法
1.2.1PFMS制备实验
在三口烧瓶中加入FeSO4.7H2O，加入适量去离子水；搅拌中一次性加入浓H2SO4；一次性加入MgO；将NaClO3溶于适量去离子水，搅拌中一次性加入；保温反应1h，冷却至室温。
1.2.2混凝试验
在烧杯中分别加入500mL废水，置于六联搅拌器上，分别定量投加PFMS及PFS。先200r/min快速搅拌1min使其充分混合，然后在30r/min下搅拌10min，静置沉降20min后取上清液测定指标。
2.结果与讨论
2.1制备条件的影响
通过单因素实验考察氧化剂及H2SO4用量和反应温度对PFS性能的影响，得到制备PFS的最佳条件。在最佳制备条件下，考察MgO替换比例对PFMS产品性能的影响，得出适当的MgO替换比例。
2.1.1氧化剂用量对铁氧化率的影响
在总铁浓度3mol/L、反应温度30℃、n(H2SO4)∶n(Fe)=0.3的条件下，加入不同量的氧化剂(化学计量值的90%～110%)，保温反应1h，自然冷却。所得产品中铁的氧化率随氧化剂用量的变化曲线如图1所示。
图1结果表明，氧化反应严格按反应式进行，氧化剂损失很小。在化学计量值时，氧化率达到99.49%。进一步加大氧化剂用量，氧化率变化不大。因此，氧化剂的用量按化学计量值，即n(ClO3-)∶n(Fe)=1∶6即可。
2.1.2H2SO4用量对PFS盐基度的影响
在总铁浓度3mol/L、反应温度30℃，n(ClO3-)∶n(Fe)=1∶6的条件下，加入不同量的浓H2SO4，保温反应1h，自然冷却，所得产品PFS的盐基度随n(H2SO4)∶n(Fe)的变化曲线如图2所示。图2结果表明，随着硫酸用量的增加，产品的盐基度逐渐降低。这是由于H2SO4用量增加时，体系的酸度随之增加，不利于铁离子水解，导致盐基度下降。当n(H2SO4)∶n(Fe)为0.3～0.4时，产品的盐基度符合国家标准(在8%～16%的范围内)。
2.1.3反应温度对PFS盐基度的影响
在总铁浓度3mol/L、n(ClO3-)∶n(Fe)=1∶6，n(H2SO4)∶n(Fe)=0.3的条件下，以不同温度反应1h，自然冷却，所得产品PFS的盐基度随反应温度的变化曲线如图3所示。
图3结果表明，随着反应温度的升高，PFS的盐基度先略增大后减小。氧化和聚合反应放热，而水解反应吸热。当温度较低时，对水解反应不利，聚合单体生成的速率低，影响后面的聚合反应。因此，聚合度小，盐基度也小。随着温度的上升，水解反应加快，聚合反应也随之增加。超过一定值后，温度的升高同样有利于HSO4-的电离，使溶液中的H+浓度增大，从而抑制水解的进一步进行；其次，温度高也不利于放热的聚合反应，所以盐基度也呈下降趋势〔5〕。但在整个实验温度范围内，PFS的盐基度均符合国家标准。考虑到生产成本，试验温度取30℃。
2.1.4MgO替换比例对PFMS盐基度的影响
在反应温度30℃下，用不同量的MgO替换FeSO4(Fe+Mg的总浓度保持3mol/L不变)，同时调整氧化剂和硫酸的用量。反应1h，自然冷却，所得产品PFMS的盐基度随MgO比例的变化曲线如图4所示。
据文献〔6〕报道，复合絮凝剂特征参数B(即盐基度)的计算方法为：B=n(OH-)/〔3n(Fe3+)+2n(Mg2+)〕。
图4结果表明，随着MgO比例的增大，产品的盐基度逐渐降低。在MgO替换摩尔分数<35%时，盐基度均符合国家标准。同时，MgO替换摩尔分数>30%时，产品中的沉淀明显增多，故其替换摩尔分数应≯30%。
2.2MgO比例对PFMS絮凝性能的影响
2.2.1对高岭土模拟废水的处理
用高岭土和自来水配成水样，静置1h取上清液做为实验用模拟水样，浊度为136NTU，pH=8.44。在模拟水样中投加不同MgO比例的PFMS，投加量为10mg/L，余浊随MgO比例的变化曲线如图5所示。
图5结果表明，当MgO替换摩尔分数<20%时，PFMS的除浊效果与PFS相当。当MgO替换摩尔分数>20%时，余浊略有增大。但MgO替换摩尔分数<30%时，余浊均<5NTU，PFMS有良好除浊效果。
2.2.2对染料模拟废水的处理
用直接耐晒黑GF和自来水配成模拟水样，其直接耐晒黑GF质量浓度为100mg/L，吸光度为0.829，pH=7。在模拟水样中投加不同比例MgO的PFMS10mg/L，脱色率随MgO比例的变化曲线如图6所示。
图6结果表明，脱色率随MgO比例的增大而降低。当MgO替换摩尔分数<30%时，脱色率下降较慢，均在80%以上。当MgO替换摩尔分数>30%时，脱色率迅速下降。因此，控制MgO替换摩尔分数<30%，PFMS有良好的脱色效果。
2.2.3对城市生活污水的处理
城市生活污水取自大连市春柳河污水处理厂，原水浊度为45NTU，CODCr为75mg/L，pH=7。在水样中投加不同MgO比例的PFMS，进行絮凝试验，结果见图7。
图7结果表明，当MgO比例为30%时，PFMS去除CODCr效果最好，高于相同投加量下PFS及其他MgO比例PFMS的去除率，达到62%。
3.结论
(1)PFMS是一种新型的复合絮凝剂，在反应温度为30℃，n(ClO3-)∶n(Fe)=1∶6，n(H2SO4)∶n(Fe)=0.3的条件下，MgO合适的替换比例(摩尔分数)为20%～30%。
(2)在MgO摩尔分数为30%的条件下，PFMS对浊度去除效果略低于PFS，但余浊仍<5NTU；PFMS的脱色率略低于PFS，仍达到80%以上；PFMS对CODCr的去除率高于PFS，最高达到62%。
(3)PFMS在保持对浊度、色度、CODCr均有良好去除效果的同时，氧化剂用量减少了30%，大大降低了生产成本，有利于产品的推广使用。
