聚硅酸鐵(PSF)的研制及其混凝機(jī)理.pdf

1、本文采取共聚工藝制備聚硅酸鐵(PSF)混凝劑，并通過燒杯攪拌實(shí)驗、X-射線衍射(XRD)、紫外/可見吸收掃描(UV/VIS)、透射電鏡(TEM)、光子相關(guān)光譜(PCS)、紅外光譜(IR)等多種實(shí)驗手段考察了PSF固化、Si-Fe反應(yīng)機(jī)制、水解規(guī)律、混凝性能及混凝動力學(xué)，分析了PSF混凝機(jī)理。最后對PSF的改性研究進(jìn)行初步探索，通過添加KMnO4研制出固液相共存聚硅酸鐵PSFN。本文主要進(jìn)行了以下幾方面的研究工作。
　　PSF研制主

2、要包括聚硅酸(PS)制備、液體PSF制備及固體PSF研究。PS是制備PSF的主體原料之一，對PS制備過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模是制備優(yōu)質(zhì)PSF的重要條件。PSF混凝性能明顯優(yōu)于Fe3+與PS或Fe2+與PS、氧化劑配合使用的效果，PSF制備過程是各種離子的共聚反應(yīng)，而不是簡單的原料復(fù)配。
　　考察了自然固化及中溫固化制備的固體PSF表面形貌及混凝性能，結(jié)果表明，自然固化可降低成本。PSF經(jīng)過適當(dāng)稀釋后再固化有助于再溶解，也有利于將其形態(tài)控制

3、在優(yōu)勢形態(tài)范圍內(nèi)。反應(yīng)時間對固體PSF混凝性能的影響小于對液體PSF的影響，制備固體PSF所需反應(yīng)時間小于液體PSF的反應(yīng)時間。
　　采用XRD、UV/VIS、TEM、PCS、IR、pH監(jiān)測及Ferron-Fe逐時絡(luò)合比色法等研究了Si-Fe反應(yīng)機(jī)制及混凝優(yōu)勢形態(tài)，并結(jié)合實(shí)驗及理論計算首次研究PSF水解形態(tài)分布。提出了不同Si/Fe摩爾比的Si-Fe反應(yīng)模式，即不同Si/Fe比PSF具有不同的硅鐵成鍵速度、成鍵方式及成鍵穩(wěn)定性，低

4、Si/Fe比可能主要生成以Si-O-Fe-O-Fe-O-Si鍵絡(luò)合的枝杈狀物種，而高Si/Fe比可能主要生成以Si-O-Fe-O-Si-O-Si鍵絡(luò)合的網(wǎng)狀物種。Fe-O-Fe鍵形成速度快并且與Si-O-Fe鍵的形成可能有相互促進(jìn)作用，而Si-O-Si鍵形成速度慢并且與Si-O-Fe鍵的形成有相互阻礙作用，F(xiàn)e-O-Fe鍵的穩(wěn)定性比Si-O-Fe或Si-O-Si鍵差。通過監(jiān)測PSF反應(yīng)過程pH值變化，可以初步判斷制備PSF的最佳反應(yīng)時間

5、及混凝優(yōu)勢形態(tài)狀況。與游離Fe3+水解的多核大物種相比，與Si絡(luò)合的Fe3+與Ferron試劑反應(yīng)速度較快。PSF形態(tài)穩(wěn)定，不易水解，其主要存在形態(tài)為：在pH<4時為Fe(OH)2+及Fe3+，在511時為Fe(OH)3。
　　對比考察了PSF、聚合硫酸鐵(PFS)及復(fù)合鋁鐵(PFA)對多種水質(zhì)的混凝性能，并分析混凝機(jī)理，結(jié)果表明，在較寬泛的近中性pH范圍內(nèi)PSF混

6、凝性能均優(yōu)于PFS、PFA。發(fā)現(xiàn)PSF具有氧化性，改變了有機(jī)物(如腐殖酸HA等)表面性質(zhì)，導(dǎo)致其吸附性能增強(qiáng)。荷正電離子(Fe(OH)2+及Fe3+)及大結(jié)構(gòu)的Si-Fe絡(luò)合物在寬泛的pH(5

7、是配位吸附作用。PSF除污染性能的優(yōu)劣主要取決于其獨(dú)特的微觀性質(zhì)。
　　首次對PSF的混凝動力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。PSF最佳攪拌條件為混合速度200r/min，混合時間2min；絮凝梯度為：60r/min-3min，40r/min-5min，20r/min-2min。PSF絮體的破碎程度小于PFA，被打碎絮體的再結(jié)合能力大于PFA。在數(shù)量級上，PSF的絮凝系數(shù)KA=10-2～-3，破碎系數(shù)KB=10-7～-8。對于粒徑<2μm的顆粒