聚硫酸铁钛混凝剂(PFTS)的制备及在饮用水处理中的应用

摘要

随着工业化的发展，饮用水中污染物更为复杂，饮用水安全受到越来越多人的关注。混凝法作为一种有效的水处理方式，能促使水溶液中溶质、胶体、悬浮物等与混凝剂混合沉淀，达到去除水中各种污染物、净化水质的目的。混凝剂是影响混凝处理效果的重要因素之一，开发安全高效的新型混凝剂是一项重要课题。本论文充分利用钛的亲生物金属性，以及铁盐高荷径比、易水解络合的特性，研制出一种新型、高效的多功能无机高分子复合絮凝剂聚硫酸铁钛——PFTS。
　　论文以钛白粉副产物七水硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）以及 Ti(SO4)2为主要原料以NaH2PO4·2H2O为稳定剂，以NaHCO3为碱化剂，采用直接氧化法制备复合混凝剂聚硫酸铁钛PFTS。采用紫外可见光谱、红外光谱FTIR、X射线衍射光谱XRD、扫描电镜SEM、Ferron逐时络合比色法等光学测试技术及化学分析方法研究PFTS混凝剂的结构形貌以及钛铁水解产物分布形态。以单因素试验设计为基础，研究了自制PFTS对含锰铁水源水以及实际江河水的处理效果。论文的主要研究内容与结论如下：
　　1）通过单因素分析考察制备过程中可能会影响PFTS混凝效果的几个因素，对制备条件进行优化，发现在Ti:Fe为1:8，P/Fe为0.3，OH/(Fe+Ti)为0.3，制备温度为60℃时，所得到的PFTS混凝剂在投加量为25mg/L时，混凝效果好，出水余浊小于1.0NTU，UV278去除率达到69％左右。
　　2）根据逐时络合比色法分析，在PAFS中铁的形态Fea占32.4%，Feb占21.4%，Fec占46.2%；通过紫外分析发现钛的存在对铁水解产物的特征吸收产生了影响，导致吸收峰偏移；FTIR分析表明PFTS中有Ti-O-Fe、Ti-O等新基团形成；XRD分析表明表明 PFTS混凝剂中有[Fe2+,Fe3+,Ti]3[P,Ti]2O5[OH]4，Fe0.2(FeTi)0.6 SO4(OH)0.8(H2O)等物相存在，此外还有Fe2+Ti2O5、Na3Fe5O7、FeAl2SiO5(OH)2等新的衍射结构。PFTS混凝剂的制备并不是原料的简单混合，而是发生了一系列的聚合反应，形成了一种新的无机高分子复合混凝剂。SEM表征分析可知，钛的引入使PAFS混凝剂结构紧密，互相交错形成具有高聚合度的网状结构大分子物质，在水处理过程中可以表现出优异的吸附架桥作用和卷扫能力。
　　3）将PFTS应用于含锰铁水源水中，发现其对原水中锰、铁、浊度以及UV254都有很好的处理效果，采用单因素实验方法，对影响处理因素进行分析，结果表明，当高锰酸钾投加量为1.5mg/L，PFTS投加量为30mg/L，pH为7~9，且高锰酸钾投加时间在混凝剂前5min左右时，对原水处理效果较好，出水的锰铁含量均小于国家标准值，浊度小于1.0NTU，UV254去除率在90.2%左右；温度对处理效果有一定影响，但影响幅度不大；水体中有机物的量会在一定程度上影响处理效果，当原水存在有机物较多的情况下，应当的增加混凝剂或者KMnO4的投加量以保证处理效果；分形维数的分析表明PFTS投加量在30mg/L时，分形维数大，絮体密实。结合Zeta电位分析，表明此时发挥作用的有电中和与吸附架桥作用，但以吸附架桥作用为主。
　　4）将自制的PFTS混凝剂用于处理实际江河水，在单因素的基础上，探究了pH和PFTS投加量对出水浊度、UV254、CODMn、氨氮的去除效果，以及 PAFS与常见絮凝剂（PFS、PAC）处理效果的比较研究。实验发现：在PFTS投加量为30g/L、pH为7~8之间时，浊度以及有机物的去除效果最佳，余浊达到1.03ONTU，UV254的去除率达到85%左右，CODMn去除率为72%左右，氨氮的去除率为39%，同时出水残余铁离子满足国家标准要求。通过对市售两种混凝剂进行对比试验，发现在去除浊度上三种混凝剂都能取得很好的效果，具体效果PAC>PFTS>PFS，对有机物的去除方面，自制的PFTS混凝剂对有机物的去除效果最好。

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1 绪 论

1.1 饮用水污染现状

1.2 饮用水中主要的污染物及其危害

1.3 混凝法在饮用水处理中的运用现状

1.4 无机高分子混凝剂的研究进展

1.5 无机混凝剂混凝机理研究

1.6 课题意义及研究内容

2 聚硫酸铁钛的制备

2.1 实验试剂与仪器

2.2 聚硫酸铁钛的制备

2.3 混凝实验

2.4 制备条件的优化

2.5 PFTS的产品特性

2.6 本章小结

3 聚硫酸铁钛形态研究

3.1 引言

3.2 Ferron逐时络合比色法测定Fe形态

3.3 紫外光谱分析

3.4 红外光谱分析

3.5 X-射线衍射(XRD)分析

3.6 扫描电镜(SEM)分析

3.7 本章小结

4 PFTS对模拟含锰铁水源水的处理

4.1 前言

4.2 实验材料与方法

4.3 结果与讨论

4.4 PFTS投加量对分形维数的影响

4.5 本章小结

5 PFTS对实际水体的处理效果研究

5.1 引言

5.2 实验材料与方法

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间获得的专利

C. 作者在攻读硕士学位期间获奖情况