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活化硅酸助凝剂总结报告


1 前言
硅酸一般由硅酸钠和硫酸(或盐酸、磷酸等酸类)反应而成,反应进行的程 度受硅酸钠的浓度、pH 值、溶液中的电解质浓度等因素的影响。 硅酸钠又叫水玻璃,水玻璃的商品一般有两种:一种是白色块粒状固体,一 种是无色的粘液体,往往略带绿色或灰色,水玻璃的组成按 Na2O:SiO2 的组成 比例表示,自 Na2O:SiO2=1:1.6 到 1,一般也把 Na2O:SiO2

的值称为复杂度, 这个比例大的,复杂度就小,比例小的,复杂度就大。加热纯的白砂与碳酸钠混 合物使其熔化而得到偏硅酸钠的浓溶液。 偏硅酸 H2SiO3 为二元弱酸,K1=2×10-10,K2=1×10-12,酸性比碳酸还弱。 硅酸钠和盐酸反应可出现三种情况[1] 其一,形成稳定的溶胶。当 pH 值为 3~5 时,加热也不凝聚,缓慢向溶液中 加入硅酸钠溶液,当 pH 为 8~9 时,则有白色胶状硅酸凝胶生成。 其二,不稳定的硅酸溶胶,此时,pH 值为 6~7,加热,立刻产生沉淀。 其三,当 pH 为 8~9 时,迅速生成稳定的硅酸溶胶,会很快凝聚,形成一种 果冻状的胶状物质。 上海自来水公司(现上海市北自来水公司)[2]通过实验认为活化硅酸制备过 程的主要影响因素是 pH 值,SiO2 的浓度及加入的电解质,硅酸的聚合过程分三 步:单体聚合成颗粒;颗粒的长大;颗粒和颗粒相互连成分支的支链而成网状, 并逐步延伸至整个液相,最终形成凝胶,最终形成的硅酸聚合物的分子量在 104 左右。在实验中,他们发现:1mg/L(SiO2)的活化硅酸助凝剂,可使混凝剂的 投加量降低至少 25%,出水浊度降低 30~40%,并有一定的助滤作用。 低温低浊水处理的混凝剂一般采用聚合氯化铝[3],实践表明,助凝剂可采用 活化硅酸,混凝剂和助凝剂的比例一般采用 5:1~7:1,经验认为要使活化硅酸 起到良好的絮凝效果,必须注意活化的方式和方法,活化硅酸的配制应控制原液 的浓度和碱度。 首先,硅酸聚合最大的影响因素是 pH[4],聚合作用是硅酸的一个特性,影 响硅酸聚合速度的因素很多,如所用酸的性质,所生硅酸的浓度、温度和外加物 (电解质)等,其中 pH 值是一个最重要的因素。 在一定的硅酸浓度条件下,无论用什么样的酸作胶凝剂,其作用趋势是一样 的,在较大的 pH 值范围内,酸度和胶凝时间数值对数值呈现“N”字型关系, 在 pH 值低于 2~3 时,随着 pH 值的增大,胶凝时间迅速增长,随后随着 pH 值 的增大,胶凝速度增加,胶凝时间减短,加酸到 pH5~10 范围内,溶液立即凝结, 在加酸使 pH 处于大于 10 时,随着 pH 的增加,胶凝时间又迅速增加,不同的酸 “N”字型的顶点和跨度是有差别的,但趋势相同。 在不同的 pH 值条件下产生的凝胶,其原理确是不相同的,一般认为存在着 两种反应机制,在碱性条件下,主要存在着正硅酸(H4SiO4)和与其一价阴离子 ([H4SiO4-OH]—)的缩合,在酸性条件下则主要存在着正硅酸和其一价阳离子 ([H4SiO4-H]+)的聚合作用。 其次,硅酸的聚合速度和水玻璃的复杂度有着很大的关系[5]。 不同复杂度的酸的电离常数有所不同,一般来说,酸的复杂度较大的,电离
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度就高,电离常数就大,例如,焦磷酸的各级电离常数较磷酸相应的为高。实验 表明硅酸复杂度较高的,聚合速度就小,也就是说,已经混合到一定程度的三硅 酸的胶凝作用反而不如未经聚合的单硅酸快(未计浓度因素) 。 [6] 同时,硅酸的聚合速度和硅酸浓度存在着有规律的关系 在比较宽的 pH 值范围内,当以盐酸作酸化剂时,表示胶凝时间数值对数值 与 pH 值关系的“N”字曲线最高点的 pH 值,不会因浓度发生显著变化,而以 乙酸作酸化剂时,此点有微小的变化。但两者最低点的改变则比较显著,硅酸浓 度渐增,最低点的 pH 值向高值方面迁移。 在 pH 值 1~6 范围内,溶液的 pH 值给定时,硅酸的聚合作用均为二级反应。 若溶液的浓度一定,则在曲线高峰左面的胶凝时间的对数与 pH 值成正比,在曲 线高峰右面和最低点左面之间的胶凝时间的对数则与 pH 值成反比。 硅酸的电迁移性质[7]说明在硅酸中存在着硅酸正离子。以盐酸、乙酸、硫酸 和硝酸为酸化剂,测定其电迁移性质,单硅酸的等电点依次为 1.6、3.55、2.15、 1.50,多硅酸的等电点有所不同,硅酸溶液的 pH 值低于等电点时,硅酸向负电 极迁移,这也证明了硅酸正离子的存在。 此外,氟离子对硅酸的聚合作用有较大的影响[8],在中性和微碱性溶液中, 氟离子促进硅酸凝胶,而且这作用随所加氟离子数量的加大而加大,在酸性溶液 中,氟离子也有促凝作用,并随氟离子数量而加大,但只增加到一定限度,过此 限度,促凝作用即行减退。在碱性溶液中,氟离子全部都在离浆液中,表示氟离 子不参加凝胶的组成而仅起催化作用。在酸性溶液中,氟离子全部或大部在凝胶 内,这表示它不仅参与反应而且是产物的组成部分。 以乙酸、硫酸、盐酸、磷酸及高氯酸为胶凝剂[9],测定不同浓度单硅酸在不 同 pH 值的胶凝时间,可得一系列硅酸浓度与胶凝时间曲线。曲线皆为 N 型。所 有曲线的最低点和乙酸曲线的最高点的 pH 值,皆随硅酸浓度的减少而向左上方 移动,但盐酸和硫酸曲线最高点 pH 值无明显变化。

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2 聚合硅酸的制备及其活性 2.1 样品中所含二氧化硅含量的测定
2.1.1 试剂和溶液 盐酸(GB 622-65) :分析纯,0.5N、0.2N 溶液。 氢氧化钠(GB 629-65) :分析纯,0.5N 溶液。 甲基红(HGB 3040-59) :0.2%乙醇溶液。 氟化钠(HGB 3163-60) :分析纯。 2.1.2 测定步骤 称取试样 4~5 克(准确到 0.002 克) ,移入 250 毫升容量瓶中,用水稀释到 刻度,摇匀,用移液管吸取 50 毫升,放入 300 毫升锥型瓶中,加水 50 毫升,摇 匀,加甲基红指示剂 0.4 毫升,用 0.2N 盐酸溶液滴定,当溶液由黄色变为红色 为止。 在上述溶液中加入 3±0.1 克粉状氟化钠,摇动使其溶解,此时溶液又变成 黄色,立即用 0.5N 氢氧化钠溶液回滴至黄色为终点。 测定空白值:在 300 毫升锥型瓶中,加入 100 毫升纯水,0.4 毫升甲基红作 指示剂,然后用 0.2N 盐酸标准溶液滴定至红色,加入 3±0.1 克粉状氟化钠,立 然后用 0.5N 氢氧化钠 即用 0.5N 盐酸标准溶液回滴至红色后再过量约 2~3 毫升, 溶液回滴至黄色为终点。 计算公式 [(N1V1-N2V2)-(N1V3-N2V4)]×0.01502 SiO2%= ——————————————————————×100 G×(50/250) 式中:V1——加氟化钠后滴定用去盐酸标准溶液的体积,毫升; V2——氢氧化钠标准溶液回滴体积,毫升; V3——空白加入氟化钠后滴定用去盐酸标准溶液的体积,毫升; V4——空白用去氢氧化钠标准溶液回滴体积,毫升; N1——盐酸标准溶液的当量浓度; N2——氢氧化钠标准溶液的当量浓度; 0.01502——每毫克当量二氧化硅的克数; G——试样的重量,克; 实验中采用的水玻璃为宁波北仑泡花碱厂生产,经过以上步骤测定,其二氧 化硅含量为 27.57%。

2.2 投加聚合硅酸助凝剂后重金属增加量
2.2.1 原料中相关元素含量 聚合硅酸助凝剂配制所用原料为工业硫酸和水玻璃,其成分和含量如下(厂 家给定值) 。

3

工业硫酸 硫酸 % 铁 % 砷 % 铅 % 2.2.2 下, 砷 硒 铅 汞 2.2.3

98.3 0.001 0.000002 0.00005

水玻璃 二氧化硅

%

27.22

聚合硅酸成品中相关元素的含量 用上述原料配制出成品聚合硅酸后,测定其铅、砷、硒和汞的含量,结果如 % % % % 0.0000001 0.000000003 0.00000021 0.000000005 (10ppb) (0.3ppb) (21ppb) (0.5ppb)

投加助凝剂后水样中相关元素含量 在烧杯实验(小试)中,加入合理量的助凝剂后,对水样中上述四个指标进 行分析,同没加助凝剂的水样相比,四个指标(砷、硒、铅、汞)变化值可以忽 略不计。因而,投加聚合硅酸助凝剂不会对水质产生任何影响。

2.3 制备聚合硅酸时相关参数的影响
2.3.1 同溶液 pH 值的关系 从资料中和我们的初步大量实验可以确定,不同种类的酸和水玻璃反应,其 基本现象和性质是相同的,仅在数量上有些差异,因而,在实验中我们均使用硫 酸作酸化剂,这样就避免了使用高挥发性的盐酸和硝酸、高氧化性的高氯酸和可 能带来磷污染的磷酸在生产中带来的一些麻烦和不必要的问题。 因为在实际的使用中,聚合硅酸的 pH 值不能太低,太低,则在生产中几乎 没有什么实际使用价值,所以我们实验中的 pH 值范围控制在 3 以上。 我们实验了在 2%(SiO2) 、4%(SiO2) 、6%(SiO2)含量的情况下,溶液的 pH 值同溶液稳定程度的关系,这种关系用溶液形成凝胶的时间来表示。 胶凝时间就是从两种物质(水玻璃和酸)完全相互混合后起,到溶液形成果 冻状物质为止,中间相隔的时间。 在溶液的最后酸碱性为酸性时, 实际操作时就采用将水玻璃加到稀硫酸中去 的方法;当溶液的最后酸碱性为碱性时,实际操作时就采用将稀硫酸加到水玻璃 中去的方法。 通过大量实验,发现胶凝时间与 pH 值有着比较明显的关系,其关系图见图 1。 从图中可看出,在溶液的 pH 值较低时,胶凝时间随着 pH 值的升高迅速减 小,在一个 pH 值区间段内胶凝时间为零,过了这个区间段,随着 pH 值的升高, 胶凝时间又迅速增大。 这个规律对一定二氧化硅浓度以上溶液均适合,差别只是曲线的下降速度、 上升速度和中间间隔区域的大小。当浓度越大时,曲线 A 和曲线 B 越陡峭,区 域 C 的间隔越大,也就是不容易形成凝胶的 pH 值空间越小。当浓度越小时,曲 线 A 和曲线 B 越平缓,区域 C 的间隔越小,也就是形成凝胶的空间越小。
4

胶 凝 时 间

曲线 A

曲线 B

区域

C

2

4 pH

6

8

10

图1

硅酸溶液的 pH 值和该溶液胶凝时间的关系示意图

2.3.2 同溶液中二氧化硅浓度之间的关系 在酸性区域找一个 pH 点,在碱性区域找一个 pH 点,进行胶凝时间同二氧 化硅含量的关系实验,试验时的操作方法同 2.2.1。 所得胶凝时间与二氧化硅的关系示意图如下(图 2)

胶 凝 时 间

二氧化硅浓度 图2 硅酸溶液的二氧化硅浓度和该溶液胶凝时间的关系示意图

5

从图可得,胶凝时间随二氧化硅浓度的增大迅速减小,两者基本成一个二次 线性关系,也就是说在某一 pH 值时浓度越大,形成胶凝所需的时间越少,浓度 大有利于形成凝胶。 2..3.3 同加入的电解质之间的关系 称取 10 克 Na2SiO3·9H2O,溶解于 40 毫升水中,在硅酸钠溶液中加入 1 克 氯化钠,在滴加浓硫酸 1.1 毫升时,整个溶液变成胶状物。 同上述操作相同,只是在硅酸钠溶液中加入 2 克氯化钠,在滴加浓硫酸 0.8 毫升时,整个溶液变成胶状物。 同上述操作相同,只是在硅酸钠溶液中加入 3 克氯化钠,几乎刚加入浓硫酸 时,整个溶液就变成胶状物。

胶 凝 时 间

电解质加入量 图3 电解质加入量和硅酸溶液胶凝时间的关系示意图

通过大量实验发现,电解质的加入有利于硅酸凝胶的形成,从理论上这是比 较好理解的,因而,为了防止凝胶形成,水中电解质的量必须加以控制。 2.3.4 同聚合时所用的酸之间的关系 通过用浓硫酸、盐酸、硝酸、磷酸等酸制备聚合硅酸,发现制备时的性质和 规律同具体酸类没有大的差别, 不同酸和水玻璃反应时所表现出来的规律性基本 相同,但盐酸和硝酸具有比较强的挥发性,硝酸还有比较强的氧化性,磷酸的酸 性较弱,因而在以后的小试、中试中均使用硫酸做酸化剂。

2.4 聚合硅酸助凝活性的实验
2.4.1 烧杯实验 以下所有烧杯实验的搅拌设置为:300 转/分,搅拌 1 分钟;90 转/分钟,搅 拌 10 分钟,沉淀 20 分钟后,取烧杯中层溶液测定其浊度,作为该混凝剂和助凝 剂效果的剩余浊度,所使用的混凝剂为硫酸铝,以下的小试数据中,如无特别说
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明,所使用的混凝剂均为硫酸铝。 在进行烧杯实验时, 要求所配制的聚合硅酸助凝剂的胶凝时间要大于两个小 时,因为胶凝时间太短,即使其助凝性能再好,在生产中也是没有用处的。 (1)助凝活性和助凝剂 pH 的关系(浓度为 2%(SiO2) ) 对于所配制的符合时间要求的聚合硅酸助凝剂均在配制后进行烧杯试验, 实 验发现,其一,当聚合硅酸助凝剂的 pH 值较低时,不但起不到助凝作用,相反 会使混凝效果比不加时更差,但随着加入混凝剂和加入助凝剂间隔时间的增长, 加入的助凝剂起的相反作用越来越小,这是一个很微妙的实验结果。典型的实验 结果见表 1、表 2、表 3、表 4、表 5。 表 1 使用江东水厂原水(河水)进行的实验数据 40 40 40 40 40 混凝剂加入量(kg/kT) 40 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 1.40 40 0 3.50 40 10 2.90 40 20 2.30 40 40 2.20 40 80 1.90

表 2 使用江东水厂原水(水库水)进行的实验数据 20 20 20 混凝剂加入量(kg/kT) 20 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 2.22 40 0 5.27 40 10 4.91 40 20 4.35

20 40 40 3.25

20 40 80 2.68

表 3 南郊水厂原水进行的实验数据 20 混凝剂加入量(kg/kT) 20 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 9.95 40 0 28.5

20 40 10 26.2

20 40 20 24.8

20 40 40 25.6

20 40 80 24.5

表 4 使用梅林水厂原水进行的实验数据 40 混凝剂加入量(kg/kT) 40 间隔时间(kg/kT) 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— —— 1.80 40 0 4.52

40 40 10 3.85

40 40 20 3.48

40 40 40 2.60

40 40 80 2.50

7

表 5 使用北仑水厂原水进行的实验数据 20 混凝剂加入量(kg/kT) 20 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 0.88 40 0 1.68

20 40 10 1.35

20 40 20 1.25

20 40 40 1.09

20 40 80 0.98

其二,当聚合硅酸助凝剂的 pH 值较高(>11)时,没有任何作用,加与不 加助凝剂时的混凝效果差别不大,典型的数据见表 6。 表 6 使用江东水厂原水(河水)进行的实验数据 40 40 混凝剂加入量(kg/kT) 40 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 1.60 40 0 1.50 40 10 1.70

40 40 20 1.41

40 40 40 1.52

40 40 80 1.45

其三,当聚合硅酸助凝剂的 pH 值处于 10~11 的范围时,效果比较明显,加 入的助凝剂有相当明显的助凝作用。具体结果参照 2.4.2 和 2.4.3。 2.4.2 助凝剂加入量实验 (1)江东水厂(管道引水)的助凝剂加入量实验 试验方法:固定加入时间(间隔 30 秒钟后加入)和混凝剂加入量后,加入 不同量的助凝剂,测定其剩余浊度,典型的数据所得见表 7。 表 7 原水浊度:5.31NTU 混凝剂加入量(kg/kT) 30 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 0.92

30 20 30 0.78

30 40 30 0.60

30 60 30 0.70

30 80 30 0.65

30 100 30 0.73

(2)南郊水厂的助凝剂加入量实验
8

实验方法同(1) 。数据见表 8 表 8 原水浊度:6.34NTU 混凝剂加入量(kg/kT) 25 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 1.10

25 20 30 0.98

25 40 30 0.91

25 60 30 0.93

25 80 30 1.23

25 100 30 1.32

(3)梅林水厂的助凝剂加入量实验 实验方法同(1) 。数据见表 9 表 9 原水浊度:11.0NTU 混凝剂加入量(kg/kT) 40 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 1.65

40 20 30 1.41

40 40 30 1.25

40 60 30 1.25

40 80 30 1.28

40 100 30 1.21

(4)慈城水厂的助凝剂加入量实验 实验方法同(1) 。数据见表 10 表 10 原水浊度:3.60NTU 混凝剂加入量(kg/kT) 30 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 2.70

30 20 30 1.78

30 40 30 1.50

30 60 30 1.68

30 80 30 1.65

30 100 30 1.50

(5)北仑水厂的助凝剂加入量实验 实验方法同(1) 。数据见表 11 表 11 原水浊度:0.80NTU

9

混凝剂加入量(kg/kT) 20 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 0.87

20 20 30 0.75

20 40 30 0.68

20 60 30 0.68

20 80 30 0.67

20 100 30 0.68

由表 7~11 可知, 从处理效果、 经济成本上分析, 助凝剂的加入量以 40 kg/kT 左右比较合适。 同时我们还分别实验了固定时间(间隔时间为 0 秒)和混凝剂加入量、固定 时间(间隔时间为 60 秒)和混凝剂加入量、固定时间(间隔时间为 90 秒)和混 凝剂加入量等三种情况的实验,实验结果基本相同,从效果和成本上分析以加入 量 40 kg/kT 左右最为合适。 2.4.3 助凝剂加入时间实验 实验方法:固定混凝剂加入量和助凝剂加入量,在加入混凝剂后的不同时间 加入助凝剂,测定其剩余浊度。 (1)江东水厂的助凝剂加入时间实验 表 12 原水浊度:5.31NTU 混凝剂加入量(kg/kT) 30 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 0.84

30 40 10 0.88

30 40 20 0.80

30 40 30 0.71

30 40 40 0.72

30 40 50 0.75

(2)南郊水厂的助凝剂加入时间实验 表 13 原水浊度:6.34NTU 混凝剂加入量(kg/kT) 30 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 1.05

30 40 10 0.84

30 40 20 0.80

30 40 30 0.78

30 40 40 0.90

30 40 50 1.05

(3)梅林水厂助凝剂加入时间实验 表 14 原水浊度:11.0NTU
10

混凝剂加入量(kg/kT) 40 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 1.81

40 40 10 1.20

40 40 20 1.27

40 40 30 1.15

40 40 40 1.18

40 40 50 1.19

(4) 慈城水厂助凝剂加入时间实验 表 15 原水浊度:2.60NTU 混凝剂加入量(kg/kT) 30 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 2.65

30 60 10 1.11

30 60 20 1.43

30 60 30 1.03

30 60 40 1.02

30 60 50 1.03

(5) 北仑水厂助凝剂加入时间实验 表 16 原水浊度:0.80NTU 混凝剂加入量(kg/kT) 20 助凝剂加入量(kg/kT) —— 间隔时间(S) 剩余浊度(NTU) —— 0.80

20 40 10 0.63

20 40 20 0.58

20 40 30 0.60

20 40 40 0.95

20 40 50 0.90

助凝剂加入时间实验中, 从表 12~16 我们可以看出, 助凝剂在混凝剂加入后 的 30 秒左右后加入,效果比较好。 我们还作了在加入混凝剂前加入助凝剂实验, 以及在快速搅拌结束后加入助 凝剂实验,但助凝效果均不是很好,所得数据不一一列出。 2.44 助凝剂稳定性实验 配制好一定二氧化硅浓度、一定 pH 值的具有良好助凝活性的聚合硅酸助凝 剂,放入到 1000 毫升烧杯中,用滤纸盖上,相隔一定时间观察其是否凝结,并 实验其助凝活性,经过实验发现在 50 天以后,溶液没有凝结,并保持良好的助 凝活性,由实验可得,本助凝剂至少能保持 50 天以上。 2.4.5 助凝剂温度适应性实验 在不同的温度条件下配制出聚合硅酸助凝剂,并实验该助凝剂的助凝活性。 实验发现,水温较高时,加与不加聚合硅酸助凝剂对水质的影响没有水温较
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低时的影响明显,并且对于河(江)水和水库水影响的程度略有差别,水库水的 影响程度要大于河水的影响程度,这可能是由于水库水温度较低,而水温的高低 对絮凝剂(如硫酸铝)的水处理效果影响较大。当低温絮凝剂的水处理效果不好 时,投加助凝剂有助于较大改善混凝效果,对于聚合硅酸助凝剂本身来说,不管 是在低温还是高温状态,都有着良好的温度适应性。

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3 聚合硅酸助凝剂生产性实验 3.1 北仑水厂生产性实验
3.1.1 混凝剂为硫酸铝时助凝活性实验 北仑水厂有两组平行的反应-平流池,出水量为 15 万吨/天,两组池子的构 造和组成完全相同,出水量和水质也基本一样,实验时,在一组加入聚合硅酸助 凝剂, 另外一组不加入助凝剂, 比较两组的水质情况, 即可知助凝剂的助凝活性。 此次生产性实验中所用的混凝剂为硫酸铝,试验时间为 2003 年 6 月 26 日, 上午 9:35 开始,从 10:30 开始取样,到下午 5:30 结束,其中 10:30、11: 30、12:30 各取样段内取样三个,以反应池末尾、平流池头为起点(0 米) ,取 样位置分别为平流池 48 米位置、80 米位置和平流池的出水。 13:30、14:30、15:30、16:30、17:30 等时间设立七个取样点,分别 为平流池的 16 米、32 米、48 米、64 米、80 米、96 米位置,最后一个为平流池 的出水,同时测定了各点的 pH,所得数据见表 17。 表 17 时间 取样点 未加助凝剂 16
10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 1.57 17:30 1.30 1.16 0.60 0.55 0.40 0.93 1.45 0.90 0.85 0.25 0.22 0.22 0.40 1.37 1.34 1.45 1.30

加入助凝剂 64 80
0.34 0.38 0.85 0.45 0.37 0.92 0.96

32

48
0.78 0.36 0.90

96

出水
0.62 0.79 0.67

16

32

48
0.30 0.28 0.23

64

80
0.55 0.24 0.39

96

出水
0.24 0.42 0.34

1.12 0.33 0.43 1.31 1.20 0.36 1.38 1.66 1.32 2.50 0.93 0.90

0.35 0.87 0.33 1.03 0.50 0.95 0.35 0.90

1.11 1.30 1.40 1.59

1.13 0.26

0.23

0.19 0.27 0.45 0.22 0.24 0.21 0.21 0.58 0.26 0.50 0.30 0.43

1.33 1.08 0.33 1.10 0.72 0.64 1.20 0.78 0.44

在实验过程中,在加入了聚合硅酸助凝剂以后,用肉眼就可以很明显地看出 在反应池的出处加入了助凝剂的矾花颗粒比没有投加助凝剂的矾花的颗粒大很 多,并且加入助凝剂的平流池矾花沉淀速度更快,表 17 的测定数据同我们的观 察十分相符,因而,在相同的混凝剂加入量情况下,加入助凝剂可以很好地提高 出厂水水质,在同样的水质结果时,投加助凝剂+混凝剂比单纯投加混凝剂可以 节约 30~40%左右的投矾量,其经济效果是很明显的,且能有效地提高水质。 3.1.2 混凝剂为聚合氯化铝时的助凝活性实验 2004 年 3 月 5 日,在北仑水厂进行了混凝剂为聚合氯化铝的助凝剂投加生 产性实验,数据见表 18。

13

表 18 时间

取样点 未加助凝剂 16 48 2.75 2.65 2.20 3.00 2.05 64 2.45 2.60 1.90 2.30 1.74 出水 2.25 2.16 2.20 2.25 2.65 滤后 — 0.95 0.90 0.80 0.87 加入助凝剂 16 1.80 1.75 3.20 2.28 1.45 48 1.65 1.80 1.95 1.65 1.42 64 1.85 1.55 1.50 1.60 1.58 出水 1.40 1.60 1.35 1.52 1.33 滤后 — 0.70 0.55 0.57 0.56

10:00 11:00 12: 00 13: 00 14: 00

3.25 3.25 3.40 3.85 2.10

从表 17 与表 18 对比分析, 虽然似乎出水浊度绝对差别表 18 比表 17 中的大, 但表 17 中的原水浊度较低,而表 18 中的原水浊度较高,因而出水浊度相对差别 还是表 17 比表 18 中的大,这同我们的烧杯实验结果是相符合的。这可能是低温 下的硫酸铝水解比较慢,形成的有效成份羟基铝较少,因而混凝效果差,而助凝 剂正好起到了补充作用; 聚合氯化铝在投入水中前的的制备阶段即已发生水解聚 合,因而水温对其影响很小,此时加与不加助凝剂的影响效果要差一些。在控制 相同出水浊度效果情况下,聚合氯化铝+助凝剂的投加方式可以节约 20~30%左 右的混凝剂投加量。 在实验前,我们还测定了两组平流池相应点的浊度,数据见表 19 表 19 16 48 64 出水 滤后 16 48 64 出水 滤后 3.52 2.43 1.51 2.55 1.01 3.09 3.75 1.41 2.61 1.03

从表中可以看出,两组平流池的浊度数据十分接近,这是符合实际情况的, 如果在加入助凝剂以后两组之间产生了差别,加入的一组比不加入的效果要好, 那么,他们之间的效果差就可以认为是助凝剂的助凝效果。 3.1.3 北仑水厂生产稳定性实验试验数据 前面进行的实验均只有一天的时间,时间比较短,水质变化不大,为了验证 在一段较长的时间里,当生产中原水水质变化比较大,本助凝剂是否稳定,特进 行了助凝剂的生产稳定性实验。 本实验在北仑水厂进行,前后共进行了约 20 天,配制助凝剂用了三天半时 间,共配制了约 30 吨试剂,随后进行了约半个月连续 24 小时投加实验。在实验 中,为了消除不同平流池的影响,助凝剂的投加点前段时间放在二号池,后一段 时间一号池。 在实验时还进行了色度的测定。表 20 为 2004 年 9 月 16 日和 2004 年 9 月 17 日测定的数据,在表中,每一组数据的上面一行为浊度数据,下面一行为色
14

度数据,加入位置为二号池。 表 20 时间 取样点 2004 9.17 未加助凝剂 16
9:30

加入助凝剂 64 平流池 滤后 出水 1.39 1.78 0.37 8 9 5* 1.35 10 2.84 7 3.10 4 3.20 3 2.13 8 3.00 5 3.05 7 3.05 6 2.07 13 0.56 7 0.58 4 0.75 4 0.75 4 16 2.05 7 1.15 8 2.15 4 3.66 5 4.49 7 3.50 23 48 1.16 8 1.23 6 1.70 2 2.63 3 2.78 1 0.70 10 平流池 出水 1.00 1.47 5 3 64 1.33 6 1.39 3 2.53 1 2.58 3 1.58 6 2.25 3 2.45 3 2.50 4 1.45 9 滤后 0.28 3 0.43 4 0.45 2 0.31 2 0.48 2

48 1.62 10 1.50 9 2.47 5 3.25 5 3.33 4 1.02 15

2.00 8 1.42 8 2.43 5 3.95 5 4.70 9 4.53 27

11:00

13: 00

14: 30

15: 30

2004 9.16 16:00

* 所对应的一行为色度测定值。 在测定过程中,原水条件发生变化,由原来的横山水库水变为河水和横山水 库水的混合水, 即使在水质变化的情况下,聚合硅酸助凝剂依然保持了比较好 的助凝活性。 表 21 为 2004 年 9 月 21 日测定数据,加入位置为一号池,使用的原水均为 水库水。 表 21 时间 取样点 未加助凝剂 16
15:20

加入助凝剂 64 平流池 滤后 出水 1.68 1.92 0.38 2 6 4 1.53 6 1.54 6 0.32 4 16 2.30 5 2.30 7 48 2.00 3 1.42 6 平流池 滤后 出水 1.72 1.59 0.22 1 2 2 64 1.43 3 1.37 3 0.16 2

48 1.83 5 1.66 7

2.80 6 2.46 6

16: 15

15

表 22 为 2004 年 9 月 22 日和 2004 年 9 月 24 日测定数据,加入位置为一号 池,使用的均为水库水。 表 22 时间 取样点 2004 9.22 未加助凝剂 加入助凝剂 16
9:45

48 1.45 6 0.46 3 2.47 2 0.57 6 1.58 5

64

3.84 9 0.59 6 2.43 5 0.68 6 1.62 5

平流池 滤后 出水 1.25 1.48 0.26 3 6 3 0.58 3 2.84 7 0.60 7 1.48 5 1.13 6 3.00 8 1.21 7 1.86 6 0.11 4 0.58 5 0.09 4 0.24 5

16 3.18 7 0.55 4 2.15 4 0.65 6 1.45 1

48 1.05 4 0.54 2 1.70 2 0.63 5 1.41 3

平流池 滤后 出水 1.08 1.36 0.19 3 4 2 64 0.55 2 1.39 3 0.64 4 1.37 2 0.98 4 2.25 6 0.94 4 1.50 4 0.10 2 0.45 3 0.07 2 0.19 4

13: 30

13: 00

15: 00

2004 9.24
15: 00

在生产性实验过程中,我们还进行了色度的测定,结果发现,聚合硅酸助凝 剂不但能增加浊度的去除力,还有着良好的色度去除力,使用混凝剂+助凝剂的 加药模式比单纯投加混凝剂的加药模式的色度去除效果要好 20~30%。

3.2 江东水厂生产性实验
本次生产性实验的时间为 2003 年 11 月 14 日,所用的混凝剂为硫酸铝,实 验从上午九点开始,三个小时后取样检测,以第 1、2 组平流池和滤后水浊度进 行比较。在实验中助凝剂的加入量约为 40Kg/KT。实验数据如下, 表 24 时间 浊度(NTU)
取 样位置

12:00

13:00 1.40

14:00 1.80

15: 16: 00 00 17:00 1.20 1.40 1.96

18:00 2.34

平流池 1# (加助) 池 1/3 处 平流池 2# 池 1/3 处

2.00

5.20

2.50

1.60

1.72

2.97

16

平流池 1# (加助) 池中间 平流池 2# 池中间

1.30

1.20

1.20

1.20

1.30

1.63

2.25

2.60

1.60

1.80

1.40

1.30

1.55

3.12

平流池 1# (加助) 池尾 平流池 2# 池尾

1.40

1.40

1.20

1.30

1.30

1.45

2.12

1.40

2.40

1.40

2.10

1.40

2.27

2.65

滤后 1# (加助) 滤后 2#

0.50

0.80

0.90

0.40

0.70

0.51

0.76

0.70

0.60

0.60

0.60

0.80

0.76

1.07

17

4 结果与讨论
4.1 结果 具有良好助凝活性的聚合硅酸 pH 值应该 10~11, 其二氧化硅的含量应为 2% 左右,使用混凝剂+助凝剂的水处理方式能比单纯使用混凝剂的水处理方式节约 矾耗量 30%左右。 聚合硅酸助凝剂对色度有良好的去除效果, 投加助凝剂可以增加去除色度效 果约为 20~30%。 该聚合硅酸助凝剂具有良好的温度适应性, 在一年四季不同的温度条件下均 具有良好的助凝活性,但在温度较低时的助凝效果优于温度较高时的助凝效果。 该助凝剂适合江(河)水、水库水等不同原水,虽然对不同的原水其助凝效 果均较好,但相比而言,水库水使用助凝剂的效果要相对好一些。 该助凝剂适于硫酸铝和聚合氯化铝等不同的混凝剂,但硫酸铝+聚合硅酸的 效果优于聚合氯化铝+聚合硅酸的效果。 聚合硅酸助凝剂具有良好的稳定性,在一般的容器中能保存 50 天以上。 4.2 讨论 在硅酸溶液的 pH 值较低时,不但没有助凝活性,相反会破坏混凝的进行, 使混凝效果极差,其原因可能是硅酸中的(SixOyOHzH2O)n-抢先同混凝剂中的 铝离子作用,使得铝离子不能很好的水解,从而失去混凝作用。

参考文献 [1] www.cbe21.com/subject/chemistry/ [2] www.shanghaiwater. com/ [3] www.H2O-china.com 化学学报 [4]戴安帮 江龙 硅酸及其盐的研究(硅酸聚合的速度和机制) 1957 No.1 P90 [5]戴安帮 戴寰 硅酸及其盐的研究(硅酸的分子复杂度和聚合速度) 南京大 学学报 1962 No.2 P37 [6]戴安帮 薛家骅 硅酸及其盐的研究(硅酸的浓度和聚合速度) 南京大学 1962 No.3 P48 学报 [7] 戴安帮 柳海澄 硅酸及其盐的研究(硅酸的电迁移性质) 南京大学学 报 No.5 1962 P57 [8] 戴安帮 陈荣三 硅酸及其盐的研究(氟离子和硅酸的聚合作用) 化学 学报 第 29 卷 第 6 期,1963 年 12 月 P384 [9] 戴安帮 陈荣三 季明德等 硅酸及其盐的研究(外加盐和浓度对单硅酸聚 合速度的影响 南京大学学报(自然科学) 第 8 卷第 1 期 1964 年 3 月 P80

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