新型复合净水剂的研究及应用

张郁松 汪 蕊 张国庆 张晓霞
郑州市自来水公司

　　摘要 用聚合硫酸铁、聚合氯化铝和水玻璃为原料，采用两组份或三组份复配成系列净水剂，模拟郑州市自来水公司制水的工艺条件，对黄河原水进行处理试验，测定了净化后的余浊度，绘制了加药量与余浊度的关系曲线。研究发现聚合硫酸铁、聚合氯化铝和聚多硅酸以3:3:2(W/W/W)复配的净水剂效果最好，适用温度范围宽。研究了复合净水剂的净水机理。
　　关键词 聚合硫酸铁，聚合氯化铝，聚多硅酸，净水剂，浊度测定法。

　　黄河水是黄河中下游诸省市的工业用水和饮用水的原水。众所周知，黄河中下游水含泥沙量大，浊度高。尤其在多雨季节，水质条件则更加恶劣，有机杂质含量偏高。夏季的河水藻类繁衍旺盛，给常规的水质处理工艺加大了处理难度。目前，使用的净水剂品种很多，如聚丙酰胺、聚合铁、聚合铝等净水效果都不甚理想，大都存在着投药量大，不同温度下净化效果明显有差异，对不同水质适用能力差等弊端。因此，研究开发新型、高效、无毒、价廉的净水剂是一项急不待的任务，也是国际制水行业所关注的重要课题^[1]。Takao Hasegawo等^[7]研究发现，高聚合度多硅酸与金属离子复合使用，可产生良好的混凝沉降效果。作者选用聚合铁、聚合铝和水玻璃为原料，研究开发出一种新型复合净水剂。该净水剂具有加药量少(≤15ppm)，对水温适应范围较宽，沉降净化效果好、无毒、价格低廉等优点。经济效益和社会效益十分显著。同时还进一步分析探讨了复合净水剂的净水机理。

　　1. 实验部分

　　1.1 主要仪器和材料
　　JB90-D型强力搅拌器，SC956型搅拌器，STZ-A21型浊度仪、电炉、抽滤装置和通用玻璃仪器。聚合硫酸铁（简称PFS）郑州市自来水公司生产，符合国家标准。
　　聚多硅酸(简称PSA)用市售水玻璃(约20％，W/W) 配制。取200克水玻璃于1000ml烧杯中，加600ml蒸馏水，搅拌下逐滴加入2MH₂SO₄溶液，当pH=2时停止加酸，继续搅拌2h，制得透明的聚多硅酸溶液，保存备用。
　　聚合氯化铝(简称PAC)按文献方法制备^[3]。
　　其他化学试剂均是市售分析纯。
　　被处理水是郑州市自来水公司柿园水厂引来的原水(黄河水经预沉后提升)。
　　1.2 实验方法
　　试验操作模拟郑州市自来水公司制水厂净化水的工艺操作。加药量不按理论纯量计算，而是按商品材料或给定材料为纯量计算。
　　取5个1000ml烧杯，分别向其中注入1000ml原水，以 200 转/min转速予搅拌1分钟。称取1.0克相应净水剂用蒸馏水配成100ml溶液，其浓度认定为1％。用移液管分别取1.0，1.5，2.0，2.5，3.0ml该溶液，加入到搅拌器所附带的试管中，然后分别倾入盛有原水的烧杯中，用蒸馏水洗涤小试管三次，洗涤液并入相应原水烧杯中。以200转/min快速搅拌1分钟，然后以55转/min慢速搅拌15分钟，静置20分钟，在距上清液表面深2~3cm处取水样。调整STZ-A21型浊度仪的浊度值为0.00，用蒸馏水为空白，测定系列原水样处理后的余浊度。

　　2. 结果与讨论

　　2.1 PFS、PAC和PSA单独净水试验
　　聚合硫酸铁和聚合氯化铝是目前最常用的净水剂。试验结果表明，这些净水剂单独使用时，PFS的净水效果较好，但加药量较大，用20ppm才能达到工艺处理标准(按工艺处理要求沉淀池出口余浊低于6 NTU)。PAC次之，其用药量要用到25ppm才能达标。PSA基本没有净水作用，当用量超过20ppm，水中含出现大量絮状沉淀，不易沉降，反而不利于水的净化处理。 　　

　　2.2 PFS、PAC和PSA两两复配净水试验。
　　2.2.1 PFS和PSA复配净水试验
　　称取1.0克PFS于100 ml容量瓶中，加一定量水稀释后，加入4ml 5%的聚多硅酸溶液，用水稀释到刻度、摇匀，此时PFS:PSA=5:1。调整二者的比例制得系列PFS和PSA的复配净水剂。按1.2 实验方法处理原水，测定余浊度。由比较可以看出，复配净水剂的净水效果比单独使用PFS好的多，用药量少(≤10ppm)，效果又好。实验表明，PFS:PSA=3:1为最佳组合。由此看出，PSA是一种很优良的助净水剂。但是PSA的加量不能太大，如果增加到1:1时，净水效果稍差，还会产生大量的絮状沉淀。
　　2.2.2 PAC和PSA及PAC和PFS复配净水试验
　　PAC和PSA及PAC和PFS复配净水试验操作与2.2.1相类似。试验结果表明，PAC与PSA复配后也明显提高了净水效果，以3:1的比例为最佳，加药量≤10ppm就能达到工艺标准。PAC与PSA复配不如PFS与PSA的净水果好。当增加PSA的量时，例如达到2:1，也会出现大量絮状沉淀。PFS和PAS复配的净水效果没有明显提高。
　　2.3 PFS、PAC和PSA三组份复配净水试验
　　称取0.5克PFS于100ml容量瓶中，滴加少量2MpSO4，然后加0.5克PAC，加入一定量的蒸馏水。按PFS和PAC的总量计，总浓度为1％。按比例加入PSA，加蒸馏水稀释到刻度。调整PSA 的加入量，配制出系列三组份复合净水剂。与两两复配的净水效果相比，可以看出，三组份复合净水剂的净水效果比单组份或双组份的都更好，特别是大于 3: 1 的三种组合当加药量达到15ppm时，余浊度都小于2.00，效果非凡。但是，当复配比例小于5:1时，其效果还不如双组份的好。相比较，2:1或3:1 为在三组的最佳组合。作者曾进一步减少加药量考察净水效果，发现小于10ppm的净水效果都不甚好。
　　2.3.1 三组份复配比例的调整
　　现代医学认为，铝是造成老年性痴呆症的一个重要因素。作者对三组份复配比例进行调整试验，将PFS :PAC调整为3:1和5:1的条件下，再与PSA进行复配，试验结果如表2所示。

　　(注：三组份比例顺序:PFS:PAC:PSA)

　　由表2可以看出，调整比例后的净水效果虽然没有原先的效果好，但减少了对人体的影响因素，对环保和保健都是很有意义的。当三组份的比例为5:1:2的情况下，加药量为10ppm时也能达到工艺处理标准。
　　2.4 水温对净水效果的影响
　　一年四季原水的温度变化比较大，实践证明水温对多种净水剂的净水效果都有影响。如PAC 在较高温度下其净水效果很好，在较低温度下基本无净水作用。PFS 在较低温度下对高浊度原水还有较强的净水能力，显示出独特的优越性^[4]。作者采用 PFS:PAC:PSA=3:3:2的复合净水剂，对高温水和低温水分别做了净水试验，结果如表3所示。由表3的结果可以看出，新型复合净水剂在较高温度下净水效果很好，在较低温度下，只要稍加大投药量就能取得满意的效果^[4]。作者采用 PFS:PAC:PSA=3:3:2的复合净水剂，对高温水和低温水分别做了净水试验，结果如表3所示。由表3的结果可以看出，新型复合净水剂在较高温度下净水效果很好，在较低温度下，只要稍加大投药量就能取得满意的效果^[4]。作者采用 PFS:PAC:PSA=3:3:2的复合净水剂，对高温水和低温水分别做了净水试验，结果如表3所示。由表3的结果可以看出，新型复合净水剂在较高温度下净水效果很好，在较低温度下，只要稍加大投药量就能取得满意的效果。

　　2.5 新型复合净水剂净水机理
　　聚合硫酸铁和聚合氯化铝在中性或偏碱性介质中易发生水解，生成多聚体的Fe(OH)₃或A1(OH)₃胶体。新生态胶体的比表面积很大，有很强的吸附能力。它们能把原水中悬浮的带负电荷的胶体杂质^[1]，微生物及一些有害物质吸附其表面，沉降后达到净化水的目的。在单独使用聚合铁或聚合铝，或把二者混配使用时，Fe(OH)₃和A(OH)₃的胶粒表面都带有正电荷，同性电荷相排拆，它们吸附杂质后沉降很慢，显示出净水效果差。多聚硅酸也是胶体，其胶粒表面带有负电荷，它不能吸附原水中带负电荷的胶体杂质，所以聚多硅酸的净水效果很差。当聚多硅酸与聚合铁和聚合铝复配在一起使用时，异性电荷的胶体相互接触发生电性中和，这些胶体被破坏^[5]，很快由细小胶粒聚集成大颗粒迅速沉降，呈现出优良的净水效果。

　　3. 结论

　　聚合硫酸铁和聚合氯化铝单独用作净水剂，其净水效果不甚理想。二者分别与聚多硅酸复配用作净水剂，显示出很好的净水效果，特别是PFS、PAC和PSA三组份复配使用，净水效果更佳。PFS:PAC:PSA＝3:3:2是复合净水剂的最佳组合。新型复合净水剂的净水机理是胶体吸附和电性中和的共同作用。

　　参考文献

　　[1] 胡翔，周定，水处理技术，1994，25(2)，114-117.
　　[2] Tskao Hasegawo et al ，us 4，923，629，1990.
　　[3] 万婕，倪筱玲，王静秋，大学化学，1998，13(3)，30-41
　　[4] 汤志松，武汉化工，1995，4，15-21.
　　[5] 北京师范大学筹编，无机化学，人民教育出版社，1981年版，980.