聚丙烯酰胺-聚硅酸锌复合絮凝剂的制备和絮凝性能

赵 飞，李学峰

（许昌学院化学化工学院，河南 许昌 461000）

目前，水处理的主要方法包括吸附、过滤、膜分离、生物处理、絮凝沉淀等。其中，絮凝法具有操作简单而有效的优点，成为水处理的重要手段[1]。在给水与废水处理中，絮凝技术得到广泛的应用，其中最关键的是絮凝剂的开发。我国目前使用的絮凝剂主要有无机、有机、微生物和复合四大类[2]。

自从20世纪60年代，聚合氯化铝（PAC）问世以来，以其优于传统无机絮凝剂如硫酸铝、氯化铁的性能而得到广泛应用，随之发展了一系列改进品种，如聚合氯化铝铁、聚合硅酸铝铁、聚合硅酸锌铁等。但是，它们的相对分子质量和粒度大小以及絮凝、架桥能力仍比有机絮凝剂差。因此，将无机、有机絮凝剂各自优势结合的复合絮凝剂应运而生[3]。

刘明华等以铁盐和铝盐及有机胺等为原料，研制出一种两性复合絮凝剂F-1。该絮凝剂在用量为 300 mol·L-1时，对制药废水 COD、SS、色度的去除率分别达到了69.7%、96.4%、87.5%，性能明显优于PAM、PAC等单一絮凝剂[4]。汤心虎等用无机高分子絮凝剂AF2GO与阴离子PAM复合后处理活性艳红K-2BP废水，当投加量为750 mol·L-1时，脱色率达 99%，上清液基本无色[5]。 总之，无机-有机复合絮凝剂改善了上述单一絮凝剂的不足，强化了电中和、吸附架桥等絮凝性能，提高了絮凝效率。

本文以聚合硅酸锌和聚合丙烯酰胺物理复合，制备有机-无机复合絮凝剂，通过模拟水样和几种废水的絮凝实验，考察了制备条件和絮凝性能，旨在为该种新型水处理剂的工业应用提供理论依据和技术支持。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

BS224S电子天平（北京塞多利斯仪器系统有限公司）；HJ-1型磁力搅拌器（上海浦东荣丰科学仪器有限公司）；VIS-721分光光度计 （北京第二光学仪器厂）；PHS-3C精密pH计（上海雷磁仪器厂）；HJ-1型磁力加热搅拌器（巩义市英峪予华仪器厂）。

Zn2SO4·7H2O（分析纯，北京化学试剂三厂）；Na2SiO3·9H2O（分析纯，天津市福晨化学试剂厂）；H2SO4（分析纯，天津市华东试剂厂）；高岭土（国药集团化学试剂有限公司）；聚丙烯酰胺（分析纯，天津市科密欧试剂有限公司）；去离子水（自制）；印染废水（许昌阳光印染厂）；油脂废水（许昌植物油厂）；烟草废水 （河南中烟许昌烟草薄片公司）；化工废水（河南豫辰精细化工有限公司）。

1.2 絮凝剂的配制

聚丙烯酰胺（PAM）絮凝剂：称取1 g聚丙烯酰胺加入蒸馏水至200 mL，搅拌溶解，配制成质量浓度为 5 mg·mL-1的溶液[6]。

聚硅酸锌（PSZ）絮凝剂：分别称取11.37 g的Na2SiO3·9H2O和20.7 g ZnSO4于两个烧杯中加水溶解，然后在磁力搅拌的条件下向硅酸钠溶液中加入20%的硫酸溶液至pH=5.0，控制反应时间进行聚合，便得到活化硅酸，当聚合到一定程度（呈现淡蓝色）时，加入硫酸锌溶液，搅拌均匀后放置熟化30 min[7]。

聚丙烯酰胺-聚硅酸锌复合絮凝剂：取一定量的已制成的聚丙烯酰胺溶液，向其中加入一定量的聚硅酸锌，搅拌均匀，放置熟化1 h，就得到了预定复配比例的复合絮凝剂[3-4]。

1.3 模拟水样的配制

称取一定量的已研磨过的高岭土，在快速搅拌下加入到盛有一定量V(自来水)/V(蒸馏水)=1的烧杯中，调节pH值，配制成1/800的高岭土模拟水样。

1.4 絮凝实验

由于胶体颗粒对光会发生散射，不同浓度的胶体会产生不同的吸光度，且在一定范围内，吸光度与浓度（浊度）呈正比关系，利用此原理测定浊度，并折算出脱色率[5]。

量取高岭土模拟水样或真实工业废水水样于烧杯中，调节至所需pH值，加入一定量的絮凝剂，在转速为220 r·min-1下搅拌20 s，静置20 min，在距液面2～3 cm处吸取澄清液，用分光光度计测定上清液吸光率值，然后用下式计算脱色率(Decoloring ratio)。

式中A为投加絮凝剂后水样澄清液的吸光度，A0为未投加絮凝剂时水样的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 聚丙烯酰胺絮凝剂对模拟水样的絮凝效果

2.1.1 pH值对模拟水样脱色率的影响

取100 mL模拟水样，调节至一定的pH值，加入0.17 mL聚丙烯酰胺絮凝剂，快速搅拌20 s，静置20 min，在距液面2～3 cm处吸取澄清液，测其吸光度并计算脱色率。

图1 pH与模拟水样脱色率的关系

由图1可以看出，当pH值在8左右时，聚丙烯酰胺絮凝剂对模拟水样的处理效果最好，脱色率为87.66%。当pH继续增大时，聚丙烯酰胺中酰胺基活性降低导致絮凝效果明显降低。

2.1.2 絮凝剂投加量对模拟水样脱色率的影响

分别量取100 mL高岭土模拟水样于6个150 mL烧杯中，调节pH值后，依次加入0、0.14、0.17、0.20、0.23和0.26 mL的聚丙烯酰胺絮凝剂，在转速为200 r·min-1条件下搅拌20 s，静置20 min，在距液面2～3 cm处吸取澄清液，测其吸光度并计算脱色率。

从图2中不同pH下投加量对模拟水样脱色率的影响可看出，絮凝剂的投加量在0.14～0.17 mL之间时，随着絮凝剂投加量的增加，脱色率明显增大，当投加量为0.17 mL时，脱色率达到最大（87.66%），此时絮凝效果最好。当絮凝剂投加量继续增加时，效果明显降低，主要是因为絮凝剂增多也导致pH值增加，使溶液重新变成稳定的胶体所致。同时，随着pH值的增加，絮凝效果变化更加明显，即絮凝效果降低较快。说明pH值增大均可导致絮凝效果降低。

图2 不同pH下PAM投加量与模拟水样脱色率的关系

2.2 聚硅酸锌絮凝剂对模拟水样的絮凝效果

2.2.1 pH值对模拟水样脱色率的影响

取100 mL高岭土模拟水样，调节至一定的pH值，加入4 mL聚硅酸锌絮凝剂，在200 r·min-1搅拌20 s，静置20 min，在距液面2～3 cm处吸取澄清液，测其吸光度并计算脱色率，结果见图3。

由图3可以看出，随着pH的升高，脱色率逐渐上升，当pH达到10左右时，脱色率达到最大为89.78%，絮凝效果最好（pH=9时，脱色率 =88.95%）。当pH继续上升时，絮凝剂活性减弱，絮凝效果降低。

图3 pH与模拟水样脱色率的关系

图4 不同pH下投加量与模拟水样脱色率的关系

2.2.2 不同pH下絮凝剂投加量对模拟水样脱色率的影响

分别量取100 mL模拟水样置于6个150 mL烧杯中，调节 pH 值后，依次加入 0、1、2、3、4 和 5 mL的聚硅酸锌絮凝剂，在转速为200 r·min-1下搅拌20 s，静置20 min，在距液面2～3 cm处吸取澄清液，测其吸光度并计算脱色率。

由图4可以看出，当聚硅酸锌絮凝剂的投加量为4 mL、pH=9时，对模拟水样的处理效果最好，脱色率为88.95%（结果与图3结果一致）。继续增加絮凝剂的投加量，絮凝剂重新变成稳定的胶体则絮凝效果变差。

2.3 聚丙烯酰胺-聚硅酸锌复合絮凝剂对模拟水样的絮凝效果

2.3.1 pH值对模拟水样脱色率的影响

取200 mL模拟水样，调节pH值，加入复配比例为V(PAM)/V(PSZ)=1的复合絮凝剂0.12 mL，快速搅拌20 s，静置20 min，在距液面2～3 cm处吸取澄清液，测其吸光度并计算脱色率。

由图5可以看出，当pH在8左右时，复合絮凝剂对模拟水样的絮凝效果最好，脱色率达到最大为91.2%。模拟水样的pH在7～11这个范围时，pH的改变对絮凝效果的影响不大，复合絮凝剂受pH的影响较小，适用的pH范围较宽。

2.3.2 不同复配比例下絮凝剂投加量对模拟水样脱色率的影响

图5 pH与模拟水样脱色率的关系

取一定量的聚丙烯酰胺溶液和聚硅酸锌溶液于烧杯中，搅拌均匀，熟化1 h。配制成V(PAM)/V(PSZ)=0.5、1、2、4 的 4 种不同复配比例的复合絮凝剂。然后，分别量取100 mL模拟水样置于6个150 mL烧杯中，调节pH值后，依次加入0、0.08、0.10、0.12、0.14 和 0.16 mL 的复合絮凝剂，在转速为 200 r·min-1下搅拌 20 s， 静置 20 min，在距液面2～3 cm处吸取澄清液，测其吸光度并计算脱色，结果见图6。

图6 不同复配比例下絮凝剂投加量与模拟水样脱色率的关系

由图6可以看出，当复合絮凝剂的复配比例为V(PAM)/V(PSZ)=1.0，投加量为0.10 mL时，对模拟水样的处理效果最佳（脱色率达91.2%）。

从上述三种絮凝剂的絮凝效果来看，PAMPSZ复合絮凝剂的絮凝效果要优于PAM和PSZ，且用量较少，说明絮凝剂复合后协同增效，提高了絮凝性能。

2.4 三种絮凝剂对废水水样的絮凝效果

图7 三种絮凝剂对不同类型废水的处理脱色率

图7给出了三种絮凝剂应用于印染废水、油脂废水、烟草废水、化工废水的脱色处理结果。聚丙烯酰胺和聚硅酸锌对四种废水的脱色率基本保持在77%左右，而聚丙烯酰胺-聚硅酸锌复合絮凝剂的脱色率则均提高到80%以上。说明复合絮凝剂比单一组分的絮凝剂效果要好，这显然是两种单一絮凝剂复合后发生了协同作用的缘故。

3 结论

(1)聚丙烯酰胺絮凝剂在投加量为0.17 mL、水样pH在8左右时，对高岭土模拟水样的絮凝效果最好，脱色率达到87.66%。

(2)聚硅酸锌絮凝剂在投加量为4 mL、水样pH在10左右时，对高岭土模拟水样的絮凝效果最好，脱色率为89.78%。

(3)聚丙烯酰胺-聚硅酸锌复合絮凝剂在复配比例为V(PAM)/V(PSZ)=1、投加量为0.10 mL、水样pH在8左右时，对高岭土模拟水样的絮凝效果最好，脱色率为91.2%，而且，在中性和碱性范围内，这种复合絮凝剂受pH影响较小，pH的适用范围较宽。

(4)对比以上3种絮凝剂，聚丙烯酰胺-聚硅酸锌复合絮凝剂的投加量小，对模拟水样的处理效果较好，pH适用范围较宽。

(5)上述三种絮凝剂应用于印染废水、油脂废水、烟草废水、化工废水的脱色处理结果表明，聚丙烯酰胺-聚硅酸锌复合絮凝剂的脱色率均比单一絮凝剂要高，说明单一絮凝剂复合后发生了协同作用，具有进一步开发和推广的前景。

[1]徐晓军.化学絮凝剂作用原理 [M].北京:科学出版社,2005:94-98.

[2]曾媛,蒋文举,裴楠,等.无机-有机复合絮凝剂的研究进展[J].四川化工,2006,6(9):17-20.

[3]陈辉,强颖怀,尹慧.凹凸棒土/聚丙烯酰胺杂化絮凝剂的合成及其絮凝特性研究[J].非金属矿,2011,34(2):36–39,45.

[4]刘明华,何为,黄建辉,等.一种新型高效有机无机复合絮凝剂处理制药废水的研究[J].福州大学学报,2005,33(1):121-125.

[5]汤心虎,黄秀徽,刘佩璇,等.无机/有机复合絮凝剂对印染废水脱色的研究 [J].水处理技术,2001,27(5):267-270.

[6]谭正德,龙有前,王碧莲,等.新型聚丙烯酰胺絮凝剂的研究[J].电镀与涂饰,2002,21(3):15-19.

[7]刘和清,汪美凤.聚硅酸锌絮凝剂的电镜特征和絮凝效果[J].环境化学,2001,20(2):179-184.