聚硅酸盐类絮凝剂改性及在水处理中的应用研究进展-北极星水处理网

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絮凝沉淀法是向水中投加絮凝剂，使水中的悬浮颗粒和胶体絮凝成较大的颗粒，继而从水中分离出来达到水质净化的目的，是水处理流程中最普遍的操作单元之一，具有效果好、成本低等优点。絮凝剂的好坏直接关系到絮凝沉淀效果，因此水处理研究者们也一直致力于开发高效、低成本的絮凝剂。聚硅酸盐类絮凝剂是在聚硅酸以及传统的铝盐、铁盐等絮凝剂的基础上发展起来的一种新型无机高分子絮凝剂，同时具有金属离子的电性中和能力和聚硅酸的吸附桥架作用，在除浊、除色和去除有机物等方面都具有良好的效果；而且对低温、低浊和较宽pH条件下的水质，也有很好的适应能力，被广泛的应用在水和废水处理过程中。聚硅酸盐类絮凝剂由于其絮凝效果好、且易于制备、价格便宜，已成为国内外无机高分子絮凝剂研究领域的一大热点。本文根据文献报道，综合阐述了当前聚硅酸盐类絮凝剂的研究进展，介绍了其种类与特性、改性方法及其在水处理中的应用，旨在推动聚硅酸盐类絮凝剂工业化应用的深入。

聚硅酸盐絮凝剂的种类与特性

1.1含一元金属离子的聚硅酸盐

聚硅酸铝和聚硅酸铁是目前研究最多的含一元金属离子的聚硅酸盐絮凝剂。与聚硅酸相比，聚硅酸铝（铁）将聚硅酸与铝盐（铁盐）的优点结合起来，使其电中和能力与稳定性都有很大的提升；与铝盐（铁盐）絮凝剂相比，又具有更强的吸附桥架作用。此外，Mg2+、Zn2+等金属离子由于安全无毒，絮凝效果较好，并能提高聚硅酸的稳定性，也常引入到聚硅酸中形成聚硅酸镁（PMS）、聚硅酸锌（PZS）等絮凝剂。

有文献报道，与聚合氯化铝（PAC）相比，聚硅酸铝在去除藻类、油、浊度、COD和总磷（TP）等方面具有更好的效果。高宝玉等对聚硅酸铝絮凝剂的水解-聚合过程、各种水解络合形态的分布规律和铝硅之间的相互作用进行了系统而深入的研究，表明聚硅酸铝的性能与生产工艺、碱化度（B）、Al/Si摩尔比关系密切。通过共聚法制得的聚硅酸铝比复合法制得的具有较高的分子量和较低的残留铝，絮凝性能较好；随着B值的提高，聚硅酸铝的絮凝效果逐渐增强；而随着Al/Si摩尔比的降低，即硅含量的升高，絮凝效果则呈现先增后减的现象。

但是过高的B值和过低的Al/Si摩尔比又会加剧聚硅酸铝凝胶的趋势。研究表明中等聚合铝（Alb）是铝系絮凝剂起主要作用的组分。而聚硅酸铝中Al的形态分布主要受到B值和Al/Si摩尔比的影响。由于B值的提高，外加的氢氧根离子使铝的水解平衡正向移动，部分单体铝（Ala）转化为中等聚合铝（Alb），使Alb含量提高絮凝性能增强。但随着硅含量的升高，聚硅酸具有强烈的络合作用，易于与Ala、Alb发生羟基桥联或脱水聚合，形成铝硅高聚体而降低了Ala、Alb含量，絮凝性能减弱。目前对于聚硅酸铝的研究较成熟，其中一些产品已应用在水和废水的处理中并取得良好效果，但仍存在絮体较松散及残留铝等问题。

聚硅酸铁是由很短的链节样物种及枝状结构组成，形态尺寸及分形维数较大，具有很好的沉降性。在地表水的处理中，对浊度、色度去除率超过95%，溶解性有机物去除率超过60%。研究发现聚硅酸铁絮凝性能与聚硅酸铝相似都受到硅含量和碱化度的影响，但又有所区别。在OH/Fe摩尔比较低的情况下，Fe/Si摩尔比对铁的形态分布影响不大，聚硅酸铁以低聚态的铁（Fea）为主，中等聚合态（Feb）和高聚态铁（Fec）很少。这是由于酸性条件下，尤其是pH低于2时，铁由低聚态到高聚态的转化速率很小造成的。但在铁硅体系中影响絮凝作用的活性组分除了Feb外还有中等聚合态硅（Sib），随着Si含量的增加，（Feb+Sib）含量升高絮凝作用增强。而在OH/Fe摩尔比较高时，硅酸对铁离子的水解将起到明显的促进作用，使水解加剧从而生成多种可能的单体形式，继而相互聚合生成高聚体或晶核并最终以沉淀析出[16]。在实际应用中聚硅酸铁虽然解决了铝系絮凝剂的铝累积毒性问题，但也带来了易对设备腐蚀的麻烦。

镁、锌等二价离子不存在铝的毒性和铁的腐蚀问题，但其电性中和能力较弱，实际应用中要进行综合考虑。在聚硅酸中引入锌盐制成的PZS，其产品呈现网链和层状结构，与聚硅酸铝的三维立体网链结构有明显的差异，更具稳定性。这主要是由于锌、铝2种粒子所带电荷及外电子层构型、半径不同造成的。同时，在PZS的絮体中可以观测到由大量球形粒子紧密相连而形成的颗粒群结构，使其絮凝体密实、含水量低，极大的减少了絮体体积。与PZS相似，在PMS中也观测到层状结构，相比于传统絮凝剂其在絮凝过程中更有利于胶体颗粒的凝聚和絮体的桥联，在Mg/Si摩尔比为1.5时，PMS具有最佳的絮凝效果，对于模拟印染废水的色度去除率可达到82%以上。

原标题：聚硅酸盐类絮凝剂改性及在水处理中的应用研究进展

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