含硼聚硅酸盐铁铝类絮凝剂制备的研究毕业设计论文.docx
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含硼聚硅酸盐铁铝类絮凝剂制备的研究毕业设计论文
毕业设计(论文)
专业:
环境工程
题目:
含硼聚硅酸盐铁铝类絮凝剂制备的研究
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本人所呈交的毕业论文(设计)是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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日期:
日期:
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1)设计(论文)
2)附件:
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3)其它
安徽工程大学
本科生毕业设计(论文)任务书
2011届生物化学工程院
环境工程专业
学生姓名:
营冬
Ⅰ毕业设计(论文)题目
中文:
含硼聚硅酸铁铝盐类絮凝剂制备的研究
英文:
Studyingonthepreparationofaluminumfeffic
polysilicatecontainingboron
Ⅱ毕业设计(论文)任务内容
1、本课题目的、意义
近年来,水污染日益严重,而絮凝则是水处理中应用最广泛的处理工艺,也是废水处理过程中不可缺少的关键环节。
絮凝剂可以降低原水的浊度、色度等感观指标,去除多种高分子有机物,某些重金属和放射性物质,它可以自成独立的处理系统,又可以与其它处理单元过程进行组合,作为预处理、中间处理和最终处理过程,而且还常用于污泥脱水前的浓缩过程,以改善污泥的脱水性能。
选择何种絮凝剂、对于提高出水水质、降低制水成本有着重要意义,对国民生产、生活起着重要影响。
目前,无机高分子絮凝剂在日本、西欧、美国、俄罗斯和我国等国家地区都有一定规模的工业化生产,产品质量也较稳定,而在我国絮凝剂市场上,无机高分子絮凝剂的用量则占八成以上,它的研制和应用正在成为热点。
聚硅酸铝铁复合絮凝剂是近十年才开发研制出来的无机高分子复合絮凝剂,它兼有铁盐和铝盐絮凝剂的特点,具有反应速度快、形成絮凝体大、沉降快、过滤性强等特点。
而本研究则在对以往的聚硅酸铁铝盐的基础上引入新元素硼,硼能提高聚硅酸盐的稳定性和絮凝效果。
针对硼的特性,拟研发出一种对污水的色度和COD去除都有很好效果的新型絮凝剂,并进一步验证其絮凝效果。
2、主要研究内容
毕业设计要求完成以下三方面的工作内容。
(1)通过实验研究加硼时间对絮凝剂处理效果的影响;
(2)考察不同硼硅比的絮凝剂的处理效果,找出最佳硼硅比;
(3)选择适合该絮凝剂的最佳PH,投料量,搅拌速度。
3、论文提交的成果
(1)论文正文;
(2)综述,要求>3000字,文献>30篇;
(3)附件:
1-2篇英文文献翻译
指导教师(签字)
教研室主任(签字)
批准日期
接受任务书日期
完成日期
接受任务书学生(签字)
摘要
在水处理过程中,絮凝作为一种有效的预处理方法已经得到了广泛的应用。
国内外在絮凝剂研制和应用方面的发展十分迅速,总的发展方向是由低分子量到高分子量、由简单到复合。
铝盐和铁盐类无机高分子絮凝剂是近年来使用比较广泛的絮凝剂,但其作为主流絮凝剂在使用中发现仍存在一些缺点。
为了进一步改善其性能,人们对以铝盐和铁盐为基础的复合絮凝剂给予了越来越多的关注。
其中将金属盐引入到聚硅酸所得药剂称为聚硅酸金属盐废水处理药剂,它兼有电中和与吸附架桥作用,是水处理领域中一类新型的、高效的无机高分子絮凝剂。
本文研了含硼聚硅酸铁铝絮凝剂的制备条件,并采用仪器分析和化学分析相结合的方法,研究了其物化特性。
得到了以下结论:
1.加入硼的时间最好在聚硅酸制备时。
2.硼硅比为0.5∶1时絮凝剂效果最好3.该絮凝剂使用时最佳投料量为0.6g,最适合的废水PH为5,最佳搅拌时间为15min。
关键词:
絮凝剂;聚硅酸铝铁;絮凝沉淀;絮凝性能
Abstract
Theprocessofcongulationisanefficientpretreatmenttechnology,whichhasbeenwidelyappliedinthetreatmentofwaterandwastwater,andthedevelopmentoffloccuant'spreparationandapplicationisalsoveryrapidathomeandabroad.Theoveralldevelopmentdirectionisfromlowmolecularweighttohighmolecularweightandfromsimpletocomplex.Aluminumandironsaltsofinorganicpolymerflocculantarethemostwidelyusedflocculantsinrecentyears,buttherearestillsomeshortcomingsinapplication.Inordertofurtherimproveitsperformance,aluminum-basedandiron-basedcompositeflocculantsaregivenmoreandmoreattention.Thepolysilicateflocculantispreparedbybringingmetalsaltsintopolysilicicacid,whichplaystheroleofchargeneutralization、bridgeandadsorption.anditisanewtypeofhighlyefficientinorganicpolymerflocculantsinthefieldofwatertreatment.Obtainedthefollowingconclusions:
1.addingboronsilicatepolymerpreparationtimeshouldbeintime.2.borosilicateflocculantratiois0.5:
1whenthebest3.thebestuseoftheflocculantfeedingamountwas0.6g,themostappropriatewastewaterPH5,thebestmixingtimeof15min.
Keywords:
Flocculant;polyferric;flocculationandsedimentation;flocculation
朗读
显示对应的拉丁字符的拼音
第四章含硼聚硅酸铝铁絮凝剂的制备及性能研究21
结论与展望30
致谢30
参考文献31
附录A英文文献32
附录B题录及摘要32
插图清单
表格清单
引言
絮凝作为一种有效的预处理技术,其在废水处理中有着不可替代的作用;絮
凝处理效果的优劣直接影响后续的处理及最终出水的水质。
另外,对于一些含有毒性物质或生物难降解物质、间歇式排放的废水,生物处理方法并不完全适用,
而采用絮凝方法对这类废水进行处理就显得更为重要。
决定絮凝效果的关键在于
废水的特点和絮凝剂的特性。
因此,有针对性地开发新型絮凝剂一直是水处理领
域的研究热点和重要方向。
传统的铝盐、铁盐絮凝剂由于絮凝效果差,在20世纪60年代后期逐渐被迅速发展起来的无机高分子絮凝剂取代。
无机高分子絮凝剂具有如下特点:
①适应性更广泛,用量省,处理效果好;②无毒或低毒;③原料来源广泛,其主要原料是铝盐、铁盐和硅酸盐;④制备工艺简单;⑤水处理操作简单等。
因而这类絮凝剂引起了人们的高度关注,并迅速得到推广应用。
然而,随着工业企业排出的废水的种类和数量越来越多,使得水源水质越来越复杂,单纯的铝盐及铁盐类无机高分子絮凝剂已经难以满足水处理中对絮凝剂的要求。
因此,开发高效、无毒、廉价的无机高分子絮凝剂是水处理领域所面临的重要任务,对于发展废水回收利用处理技术具有重要的实际应用价值和科学意义。
聚硅酸铝铁复合絮凝剂是近十年才开发研制出来的无机高分子复合絮凝剂,它兼有铁盐和铝盐絮凝剂的特点,具有反应速度快、形成絮凝体大、沉降快、过滤性强等特点。
而本研究则在对以往的聚硅酸铁铝盐的基础上引入新元素硼,硼能提高聚硅酸盐的稳定性和絮凝效果。
针对硼的特性,拟研发出一种对污水的色度和COD去除都有很好效果的新型絮凝剂。
并通过与其他无机高分子絮凝剂的处理效果比较,进一步验证其絮凝效果。
第一章概述
1.1絮凝剂概况
1.1.1絮凝剂在水处理中的应用
近年来,水污染日益严重,而絮凝则是水处理的应用最广泛最普遍的单元操作,也是废水处理过程中不可缺少的关键环节。
絮凝技术因其适应性强,操作管理简单,基建投资省等优点成为目前国内外普遍用来提高水质的一种经济、简便的水处理技术。
首先,絮凝能有效脱除80%~95%的悬浮物质和65%~95%的胶体物质,对降低水中COD值有重要作用;其次,絮凝对去除水中的细菌、病毒的效果稳定,通过絮凝净化,一般能把水中90%以上的微生物与病毒一并转入污泥,使进一步处理水的消毒、杀菌变得比较容易;再者,对水体富营养化、废水脱色等问题,采用无机絮凝剂比生物法除磷、脱色效果好。
无机絮凝剂用于污泥的脱水具有明显的经济优势。
因此,在水处理工艺中絮凝法已日益受到国内外环境工作者的重视。
絮凝剂可以降低原水的浊度、色度等感观指标,去除多种高分子有机物,某些重金属和放射性物质,它可以自成独立的处理系统,又可以与其它处理单元过程进行组合,作为预处理、中间处理和最终处理过程,而且还常用于污泥脱水前的浓缩过程,以改善污泥的脱水性能。
选择何种絮凝剂、对于提高出水水质、降低制水成本有着重要意义,对国民生产、生活起着重要影响。
目前,无机高分子絮凝剂在日本、西欧、美国、俄罗斯和我国等国家地区都有一定规模的工业化生产,产品质量也较稳定,而在我国絮凝剂市场上,无机高分子絮凝剂的用量则占八成以上,它的研制和应用正在成为热点。
1.1.2絮凝剂定义及分类
絮凝分离主要是指向含有悬浮体或胶体的污水中投加药剂,促使带电微粒或胶体脱稳,继而聚集沉降使之与水介质分离,从而达到净化的过程。
一般为达到这种目的而使用的药剂,称之为絮凝剂,定义为:
凡是用来使水溶液中的溶质、胶体或悬浮颗粒产生絮状沉淀的物质都叫絮凝剂。
也就是说无论投加的是无机物还是有机物,只要能发生絮状沉淀过程,都可称之为絮凝剂。
若某絮凝剂含有两种或两种以上的物质发挥絮凝作用,则把该絮凝剂称为复合絮凝剂。
絮凝剂的分类方法很多。
按组成的不同,一般的可将其分为无机絮凝剂、有机絮凝剂以及近年来兴起的生物絮凝剂;若根据分子量的高低、官能团的特性及官能团离解后所带电荷的性质,可进一步分为高分子、低分子、阳离子型、阴离子型和非离子型絮凝剂等。
有机高分子絮凝剂种类繁多、效果也较好,但因其价格较高,且本身或其水解、降解产物有毒而影响其应用。
微生物絮凝剂因其安全无毒而倍受青睐,但其在应用方面不太成熟,尚需进一步开发。
无机低分子絮凝剂在某些场合依然采用,但其净水效果不理想,已逐渐被淘汰。
聚铝、聚铁类无机高分子絮凝剂是在传统的铁盐,铝盐的基础上发展起来的无机絮凝剂,价格较低廉,净水效果好。
然后发展到将金属离子引入到聚硅酸中所制得的絮凝剂称聚硅酸絮凝剂。
聚硅酸盐絮凝剂集金属离子的电中和和聚硅酸的吸附架桥能力于一身,同时网状结构的凝聚体具有较大的表面积,可充分发挥吸附卷扫作用,以提高澄清作用。
1.2絮凝剂发展概况
1.2.1有机絮凝剂
有机高分子絮凝剂出现于20世纪50年代,它们应用前途广阔,发展迅速。
已用于给水净化,水/油体系破乳,含油废水处理,废水再资源化及污泥脱水等[22]方面;还可用作油田开发过程的泥浆处理剂,选择性堵水剂,注水增稠剂,纺织印染过程的柔软剂,静电防止剂及通用的杀菌、消毒剂等。
有机絮凝剂(organicflocculant)主要为有机高分子化合物,有天然的和人工合成的。
人工合成的有机絮凝剂是分子量从数千到1000万级的水溶性线状化合物。
分子中有许多极性基,能吸附在水中悬浮着的固体颗粒上,可以根据需要调节主链的长短,还可以引进不同的官能团以加强与待处理颗粒间的吸附作用,具有颗粒间的架桥作用,并形成粗大絮体作用的物质[1],所生成的聚集物沉降速度快,可缩短处理时间,提高设备利用率,但其溶解度较无机絮凝剂小,溶解速度慢,并且成本较高。
天然有机高分子絮凝剂种类也较多,包括微生物絮凝剂和其它生物高分子有机物(如甲壳素等)。
但大多数的天然有机高分子絮凝剂都是与其它带有特殊官能团的化合物接枝共聚后,再用于处理废水。
如纤维素、醋酸纤维素、淀粉、果胶、本质素的双环氧化物、蛋白质、动物胶等都是天然有机高分子絮凝剂。
有机高分子絮凝剂与无机絮凝剂相比,具有用量少、pH适用范围广,受盐类及环境条件影响小,污泥量少,处理效果好等优良性能,其缺点为大多都有毒性,不能用来处理饮用水,只能用来处理工业废水。
有些产品只能以稀溶液出厂,而不能生产成干粉出售,在运输、储存时都有一定困难。
另外有机高分子絮凝剂还有含水率高产生的污泥体积庞大,生产成本高等缺点。
1.2.2无机絮凝剂
无机絮凝剂(inorganicflocculant,简称IF)的研制与应用较早,总的发展趋势是由低分子向高分子、由单一型向复合型发展,无机絮凝剂目前已发展到第三代,第一代是以Fe2(SO4)3,AlCl3为代表的无机低分子絮凝剂,但其用于水处理时,低分子絮凝剂存在着成本高、腐蚀性大,用量大、残渣多、效果差等缺点,该类絮凝剂现在逐渐被淘汰。
第二代是以聚合硫酸铁等为代表的无机高分子絮凝剂(inorganicploymerflocculant,简称IPF),无机高分子絮凝剂是日本在20世纪60年代开发并应用的,其性能比传统无机盐絮凝剂硫酸铝、氯化铁等优异,价格比有机高分子絮凝剂低廉,已成功地应用在给水、工业废水及城市污水处理中,逐渐成为主流絮凝剂。
第三代絮凝剂主要是指复合絮凝剂,主要是指将金属离子引入到聚硅酸中所制得的絮凝剂称聚硅酸盐絮剂。
(1)铝系无机高分子絮凝剂
随着人们对铝的水解-聚合过程以及铝盐絮凝剂絮凝作用机理的深入研究,铝系无机高分子絮凝剂首先得以发展起来,应用最为广泛的为聚合氯化铝(PAC)。
PAC首先在日本开发研制并投入工业化生产和应用,在70年代被广泛应用于水处理行业,其研究技术较成熟、性能较稳定。
我国对PAC研究始于80年代,最大生产厂固体产量每年达7000吨以上。
相对于传统的硫酸铝絮凝剂,PAC絮凝剂的有许多优点,如投加量小,对原
水水温适应性强,pH适用范围广等,目前国内约60%的水处理的厂用PAC进行
絮凝处理。
尽管如此,PAC仍有自己的缺点,如在处理低温低浊原水时性能较差。
在我国北方的自来水厂,冬天水温低,由于絮凝过程中生成的矾花细小,沉降速
度缓慢,影响出水水质[2]。
此外PAC在使用过程中,残留铝经各种渠道在生物体和人体内蓄积,将对环境产生潜在的毒性效应,因此,世界卫生组织对铝的限值标准为0.2mg/L。
为解决铝带来的负效应,传统的铝盐有被其他无机高分子絮凝剂取代的趋势[3]。
(2)铁系无机高分子絮凝剂
铝对生物体产生毒害作用已越来越受到国内外的关注。
铁盐作为铝盐的主要
替代品,早在20世纪30年代就在水处理中得到了广泛的应用。
采用铁盐作为絮
凝剂,不仅安全无毒,可避免二次污染,而且还有絮凝能力强、矾花大、沉降快、
水温和pH适应范围广、价格便宜等特点[4],尤其是在低温条件下,铁盐的絮凝效果明显优于铝盐。
常用的铁盐高分子絮凝剂为聚合硫酸铁(PFS)。
由日本首先研制成功并投放市场,我国1983年以来也开展了PFS的研究。
目前我国PFS的生产技术已达到了国外水平,且年产量达10万吨。
广泛用于净水处理和污水处理。
PFS在城市污水脱氯除磷、去除臭味等方面的优点是铝系絮凝剂无法比拟的。
PFS与聚胺类、强无机氧化剂等具有较好的复合性能,复合后絮凝剂对于低温低浊度水、高浊度水、市政污水、印染废水等均具有良好的处理性能[5]。
尽管铁系絮凝剂有很多优点,如絮体密实,沉降速度快等,但其絮体较小,
卷扫作用差,处理后水色度较深,另外其腐蚀性强,对设备要求高,且铁盐絮凝
剂中的铁与水中腐殖质等有机物可形成水溶性污染物,使自来水带色,故需慎重
选取。
(3)聚硅酸无机絮凝剂
聚硅酸最早是作为助凝剂应用于水处理行业的,传统的是聚合硅酸。
聚硅酸一般带负电荷,对水中的污染胶体粒子不会产生电中和作用,但其聚合过程中分子量增大,吸附架桥能力加强,处理效果就很显着。
不过聚硅酸在储存时会因为自聚反应析出硅胶而使絮凝作用大打折扣。
储存的不稳定也限制了聚硅酸的推广应用。
为解决这一问题,出现了聚硅酸金属盐絮凝剂。
研究表明,聚硅酸盐絮凝剂兼具金属离子的电中和作用和聚硅酸的吸附架桥作用,具有良好的絮凝效果,是目前新型絮凝剂研究的热点,这类絮凝剂有如下的特点:
①稳定性
这是相对于聚硅酸而言的。
在聚硅酸中引入铝铁等金属离子可以增强其稳定
时间,这是因为聚硅酸对金属离子具有一定的吸附和螯合(络合)作用,但二者
之间不存在定量的作用关系。
适量的金属离子存在可延长聚硅酸的凝胶时间,研
究表明聚硅酸金属盐中酸根离子对产品的稳定性也有一定的影响。
一般情况下聚
硅酸的稳定期才几小时,聚合氯化铁几周,聚硅酸金属盐可存储较长。
然而,聚
硅酸金属盐絮凝剂的稳定性问题还在不断深入研究之中。
②高效性
该絮凝剂复合了硅及金属盐,其中硅是阴离子型负电,对水体中的胶体具有
很强的吸附架桥能力,而金属盐在水溶液中水解可形成多羟基金属离子,具有较
强的电中和能力。
研究表明,聚硅酸金属盐絮凝剂有着良好的除浊效果,特别是
对低温低浊度水的效果尤为明显。
③安全无毒性
借助于超滤方法、电泳技术、核磁共振技术、透射电镜观察以及化学分析,表明聚硅酸盐絮凝剂较PAC具有更强的吸附架桥能力,因而在水处理时用量少,处理后残留金属低,沉降迅速,可部分代替有机高分子絮凝剂。
其中PASS对饮用水的处理,已得到全美科学财团(NSF)对其的重视。
(4)其他无机絮凝剂
含锌絮凝剂也是近几年出现的新品种,具有安全无毒、无腐蚀性等优点。
无
机锌盐一般不会单独使用,常与聚硅酸或有机高分子絮凝剂复配后使用[6]。
刘和清等用聚硅酸锌絮凝剂处理制革废水,结果显示:
COD和浊度去除率分别达到80%、98%以上,Cr和SS的去除率达90%以上。
絮凝效果优于聚合硫酸铁。
高锰酸盐絮凝剂具有良好的氧化助凝性能,同时具有杀菌作用,用于有机物污染严重的地方,可显着改善出水水质[7]。
另外,镁盐絮凝剂[8]、钨酸盐絮凝剂也有研究报道。
硼泥复合型絮凝剂是一种含有水溶性的镁、铁、铝等无机酸盐高分子絮凝剂,硼泥的主要成分为含镁、铁、铝、硅、硼、钙的混合物,不含有对人体有害、有毒的成分,可以作为水处理剂的原料加以利用。
以硼泥(是生产硼酸和硼砂而产生的工业废渣)与硫酸或盐酸反应制取的无机复合型絮凝剂[9]既可减少废渣、废液的排放,又达到变害为利的目的。
它综合了镁、铝、铁、活性固体组分等有效成分,从而在混凝过程中发挥了它们的协同作用,在不同的pH范围内,均能发生有效的混凝作用。
达到很好的处理效果。
吴敦虎等[10]采用自制的硼泥复合絮凝剂(BSCC-I)处理印染废水。
色度去除率>97%,COD去除率>67%,SS去除率>98.0%。
其效果优于由PAC所作的对比试验。
专利文献1062713A[11]还报道了利用硼泥废渣与硫酸(或盐酸)反应制取无机复合型絮凝剂的另种方法。
该絮凝剂对废水有很好的处理效果。
1.3聚硅酸盐类絮凝剂的研究与发展
聚硅酸是常使用的助絮剂,但在储存时由于自聚作用易析出硅胶而失去絮凝功能。
一些金属离子如钠离子等有抑制硅酸聚合,延缓其胶凝的作用,这主要是因为聚硅酸中引入金属离子后,一方面降低了溶液的pH值,使其中有效成分的数量减少;另一方面降低了聚硅酸表面发生聚合作用的羟基氧的电子密度,从而抑制了硅酸的聚合。
人们将活性硅和一般金属盐类絮凝剂(铝盐、铁盐)的优点结合起来,研究开发出了许多聚硅酸金属盐类絮凝剂。
1.3.1聚硅酸与金属离子复合形成复合型高分子絮凝剂的开发与应用
关于聚硅酸类絮凝剂,目前国内外研究最广泛就是制备聚硅酸与金属离子如
铝,铁等复合而形成的高分子絮凝剂。
这类絮凝剂是把铝盐或铁盐引入到聚硅酸中而制成,它们可以预先分别羟基化聚合后再加以混合,也可以先混合再加以羟基化聚合,实际上此复合型絮凝剂是Si(IV)与AI(Ⅲ)或Fe(Ⅲ)的羟基和氧基聚合物。
硅是阴离子型荷负电,铝或铁是阳离子型荷正电,它们在水溶态的单元分子量约为数百到数千,可以相互结合成为具有分形结构的聚集体,其平均分子量高达20万。
这类絮凝剂可以把聚硅酸和聚铝或聚铁的优点结合起来,充分发挥二者的长处,它们的絮凝脱稳性能远超过单独的聚硅酸和聚金属离子。
同聚硅酸相比,不但提高了稳定性,且增加了电中和能力,同聚金属离子相比,则增强了粘结架桥效能。
含有多种金属离子的聚合硅酸盐是一个新的研究方向,它对废水的处理更具有针对性。
据文献[12]报道,以矿石、废矿渣或一些工业合成中的废产品为原料,可制备出含有多种金属离子的聚硅酸盐絮凝剂。
该絮凝剂以高分子聚合态碱式氯化铝为主要成分,同时含有高分子聚合态的铁、钙、镁化合物,并且特别含有活性硅酸成分。
俞丹青等[13]以硅酸钠、硫酸铁和四硼酸钠为原料,制备了无机高分子絮凝剂含硼聚硅硫酸铁(PFSSB),得到的PFSSB具有最好的性能,用其处理高COD、高浊度工业废水,不仅用量少,pH使用范围宽,而且沉降速度快,COD、色度、浊度去除率较高,无毒无害,明显优于PFS的处理效果。
聚硅酸金属盐中引入硼
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