关键词：活性硅酸；单金属离子絮凝剂；浊度；化学需氧量；去除率；正交设计
污水处理所用絮凝剂主要有聚合氯化铝、聚 合氯化铁、阴、阳离子聚丙烯酰胺等。 其中，聚合 氯化铁常用于生活污水的处理，聚合氯化铝可用于自来水净化、污水处理等领域，二者主要是电 中和作用，在应用过程中需要与阴、阳离子聚丙 烯酰胺复配使用，而且对温度也比较敏感，常用 在室温以上的环境体系，在低温领域（尤其是冬 季）应用效果相对较差。 阴、阳离子聚丙烯酰胺主 要起吸附架桥作用， 对低温水的适应性也较差。 聚硅酸盐类絮凝剂的特点是兼有电中和及吸附 架桥功能，可单独使用，低温适应性良好，但该 类絮凝剂具有储存稳定性差，容易自聚失去絮凝 功能的缺点，尚未实现工业应用。 本工作利用正交试验法优化了活性硅酸及 活性硅酸嫁接单金属离子絮凝剂（简称单金属离 子絮凝剂，下同）制备条件，考察了制备的系列单 金属离子絮凝剂对炼油污水的除浊效果，并与常 规絮凝剂进行了对比，可为新型絮凝剂的开发提供数据支撑。
1 实验部分
1. 1 原材料
炼油污水，pH 值为 7.38，浊度为 181 NTU，化 学需氧量（COD）为 282 mg/L，取自中国石油兰州 石化公司炼油污水处理厂。 硅酸钠，分析纯，由广州市江顺化工科技有限公司生产。 无机酸，分析纯，由甘肃白银化学试剂厂生产。 锌盐，分析纯，由北京红星化工厂生产。 镁盐、镍盐、锌盐、铜盐、 铁盐，均为分析纯，均由天津市南大化学试剂厂 生产。 铝盐，分析纯，由陕西西安化学试剂厂生 产。 聚合氯化铝，质量分数为 10%，由中国石油兰 州石化公司橡胶厂生产。 阴、阳离子聚丙烯酰胺， 质量分数均为 0.05%，均由江苏宜兴化工厂生产。
1. 2 试样制备
活性硅酸制备 称取一定量的硅酸钠加水 快速搅拌，并用无机酸调节 pH 值，使硅酸钠在酸 性条件下，发生水解聚合反应。 单金属离子絮凝剂制备 称取一定量的活 性硅酸，加入一定比例的金属盐溶液，在一定温度下反应，得到标题物。
1. 3 除浊试验
取 1 mL 絮凝剂加入到 400 mL 水样中，室温 下，以 300 r/min 的速率搅拌 2 min，再以 30 r/min的速率搅拌 10 min 后，观察絮体的形状及沉降速 度，静置 30 min 后取上清液，采用北京哈纳科仪科技有限公司生产的 HANNA HI 91434 型浊度仪进行浊度测定， 按照 GB 11914—1989 进行 COD的测定。
2 结果与讨论
2. 1 活性硅酸制备及表征
2. 1. 1 活性硅酸制备
选取反应时间（因素 A）、硅酸钠质量分数（因 素 B）、搅拌叶的形式（因素 C）及无机酸质量分数（因素 D）为 4 因素，每个因素 3 个水平，设计 4 因 素 3 水平正交表，选择最佳因素组合作为制备活性硅酸的试验条件，水平因素表见表 1。
由表 2 可见，当活性硅酸呈透亮状态时，其浊度和相对分子质量均较小， 说明自聚被抑制， 稳定性好。 絮凝剂的主要作用是降低浊度，因此以其浊度作为考察对象。 对浊度影响因素由大到小依次为：因素B， 因素 D，因素 C，因素 A。 最佳制备条件为 A 2 B 3 C 3D 1，即反应时间为 4 h，硅酸钠质量分数为 8%，无机 酸质量分数为 30%，搅拌叶的形式为五爪形。 根据活性硅酸聚合后的结构可以看出， 无论 是四配位聚合体或是六羟联聚合体，结构式中都存 在多个羟基， 通过嫁接金属离子既可以抑制自聚， 又可以起到电中和作用，形成双功能的絮凝剂。
2. 1. 2 活性硅酸结构表征
由图 1 可见： 在 3 446 cm-1 处的强宽峰和1 635 cm-1 处的吸收峰分别归因于—OH 的振动 和水分变角振动吸收峰； 在 1 063 ～1 209 cm-1 处的吸收峰为 Si—O—Si 不对称伸缩振动引起的；958 cm-1 处的弱峰为 Si—O 弯曲振动峰， 体现出 活性硅酸的特征官能团。 由图 2 可见，活性硅酸呈现出不规则的块状 结构，各个块呈无序分布。
2. 2 单金属离子絮凝剂的制备及结构表征
2. 2. 1 单金属离子絮凝剂的制备
选取反应时间（因素 E）、反应温度（因素 F）、金属铝溶液质量分数（因素 G）及硅铝比（质量比， 因素 H）为 4 因素，每个因素 3 个水平，设计 4因素 3 水平正交表， 选择最佳因素组合作为制备金属 单离子絮凝剂试验条件，水平因素表见表 3。
由表 4 可见： 以絮凝剂浊度为考察对象，对 浊度影响因素由大到小依次为：因素 G，因素 F， 因素 E，因素 H；最佳反应条件为 E 3 F 1 G 1 H 2， 即反应时间为 8 h，反应温度为 25 ℃，铝盐溶液质量分数为 5%，硅铝比为 2∶1。 在最佳制备条件下，分别选择镁盐、镍盐、锌 盐、铜盐或铁盐溶液为金属盐溶液，制得系列活性硅酸嫁接单金属离子絮凝剂， 主要性质如表 5 所列。 可以看出：各单金属离子絮凝剂均为透亮 的液体，pH 值较低，适于储存；但是聚硅镍、聚硅 铜为浅蓝色溶液，聚硅铁为淡红色溶液，作为絮 凝剂会带入颜色。
2. 2. 2 单金属离子絮凝剂结构表征
由图 3 可见：嫁接单金属离子后，归属于活 性硅酸官能团的 3 440 cm-1 处强宽峰和 1 000～1 230 cm-1 处吸收峰变化不大，因为该系列产品固 含量比较低，主要以水为主，水中的羟基吸收峰 占优势， 掩盖了活性硅酸上—OH 因嫁接金属离 子而产生的变化； 唯有低波数区如活性硅酸中Si—O—H 的吸收峰 601，507 cm-1 处会有细微的变化。由图 4 可见：与活性硅酸相比，嫁接铝离子 后，变成不规则的小块形状；嫁接镍、锌、镁后，均 呈现规则的晶状结构；嫁接铁后，变成了毛绒状。
2. 3 除浊试验
采用系列单金属离子絮凝剂及常规絮凝剂 （聚合氯化铝、阴、阳离子聚丙烯酰胺）对炼油污 水进行除浊试验，结果如表 6 所列。 可以看出，单金属离子絮凝剂的除浊效果优于常规絮凝剂的， 浊度去除率最高可达 96.44%， 且 COD 去除率也较高，最高可达 52.0%。这是因为炼油废水中含有 不溶性物质，单金属离子絮凝剂具有电中和及吸附架桥双重功能， 有利于不溶性物质的去除；聚 合氯化铝具有电中和功能，形成的絮体具有网捕 功能，也有利于不溶性物质的去除；阴、阳离子聚 丙烯酰胺只有沉淀网捕功能，不能形成絮体。
3 结论
a.制备活性硅酸最佳试验条件为：反应时间4 h，硅酸钠质量分数 8%，无机酸质量分数 30%，搅拌叶采用五爪形。
b.制备单金属离子絮凝剂最佳试验条件为：反应时间 8 h， 反应温度 25 ℃， 铝盐溶液质量分数5%，硅铝比为 2∶1。
c.与聚合氯化铝及阴、阳离子聚丙烯酰胺常 规絮凝剂相比，自制系列单金属离子絮凝剂对炼 油污水具有很好的除浊效果，浊度去除率最高为96.44%，COD 去除率最高为 52.0%。
原标题：活性硅酸嫁接单金属离子絮凝剂的制备
原作者：王小雄，王树勖，罗庆，牛进龙
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