聚硅酸钛助凝剂温控优化制备及在低温水处理中的应用

摘要

活化硅酸（PS）的成分为硅酸钠，作为助凝剂使用时，对人体无毒且其价格较低。然而，PS聚合度及稳定性均不如有机助凝剂，这在一定程度上限制了其推广应用。 本研究通过向活化过程中已酸化的硅酸钠溶液中加入一定量TiCl4的方法来制备具有更高聚合度及稳定性的助凝剂聚硅酸钛（PTS）。并首次研究了活化温度对PTS助凝性能的影响。结果表明：随着活化温度由15℃增高至40℃，形成的PTS在水中分散物的粒径由11.09μm增大至13.5μm，而 Zeta电位由-15mV降低至-17.5mV。同时，在较高活化温度（40℃）条件下，研究了金属钛对 PS的影响。通过对粒径、Zeta电位及红外光谱分析可知，金属钛参与并提高了PS的聚合反应速度，生成PTS助凝剂的聚合度及Zeta电位均高于PS。 在上述基础上将制备的PTS与Al2(SO4)3配合使用，系统地研究了不同水质条件下低温低浊水的混凝处理效果。结果表明：在较少Al2(SO4)3投量（2mg Al/L）条件下，投加适量PTS（7.5mg SiO2/L）时原液的浊度去除率就以高达95%以上，沉淀残留浊度小于0.5NTU。本研究还采用与上述相同的投药量，对以超纯水为基质的配制水样进行了混凝除浊研究。结果表明：当溶液pH≤6.0时，助凝剂PS的助凝效果略好于PTS；当pH≥7.0时，PTS的助凝效果均优于PS，其中pH=8.0时， PTS与PS助凝效果的差别最大；而对于以自来水为基质的配置水样，PTS的助凝效果均优于PS，且在pH=6、7和8的条件下，使用助凝剂PTS时原水浊度去除率分别为66.7%、91.0%、81.5%，较使用PS时分别提高了3.1%、7.6%、6.6%。系统化地试验结果表明，对中性或偏碱性的低温低浊水进行混凝处理时，助凝剂的加入能显著提高原水的除浊效果，且PTS的助凝效果均优于PS。同时，在混凝除低温水中腐殖酸的试验中，以混凝出水的DOC和UV254作为评价PTS与PS助凝效果优劣的指标。结果表明，PTS是比PS更有效的低温水处理助凝剂，其能明显提高对原水中DOC的去除率。当原水pH=6、Al2(SO4)3混凝剂投加量为4mg Al/L、PTS助凝剂按Si/Al=1的比例投加时，原水中UV254的去除率高达90%以上，出水DOC最低（2.031mg/L以下），去除率高达79.69%。此外，在上述最佳混凝除腐殖酸的投药量条件下，探究两种助凝剂对消毒副产物生成量的影响。结果表明：在pH=5~8范围内，助凝剂（PTS或PS）与Al2(SO4)3配合使用均能起到降低消毒副产物（TCAA和DCAA）生成量的效果，且PTS的效果优于PS。

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1 绪论

1.1 助凝剂活化硅酸及聚硅酸金属盐的研究现状

1.1.1 活化硅酸研究现状及助凝机理

1.1.2 活化硅酸应用的局限性

1.1.3 聚硅酸金属盐的研究现状

1.2 混凝对低温水中胶体颗粒及腐殖质的去除

1.2.1 混凝原理

1.2.2 北方冬季地表水水质特征及处理工艺

1.2.3 天然水中的颗粒物及腐殖质

1.2.4 助凝剂的应用

1.3 课题研究的内容及意义

1.3.1 课题研究的内容

1.3.2 课题研究的意义

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验所用仪器设备

2.1.2 实验所用药剂

2.1.3 助凝剂的优化制备

2.1.4 实验水样

2.2 实验方法

2.2.1 PTS的配制方法

2.2.2 PS的配制方法

2.2.3 助凝剂分子结构与形态分析

2.2.4 混凝除浊实验方法

2.2.5 混凝除腐殖酸实验方法

2.3 主要检测评价指标

2.3.1 PTS与PS颗粒粒径

2.3.2 Zeta电位

2.3.3 扫描电镜照片

2.3.4 红外光谱图

2.3.5 浊度

2.3.6 紫外吸光度（UV254）

2.3.7 溶解性有机碳（DOC）

2.3.8 消毒副产物

3 聚硅酸钛温控优化的制备及形态分析

3.1 活化温度对PTS助凝剂性能的影响

3.1.1 活化温度对粒径的影响

3.1.2 活化温度对Zeta电位的影响

3.2 活化硅酸及聚硅酸钛结构与形态研究

3.2.1 SEM分析

3.2.2 红外光谱分析

3.3 小结

4 PTS助凝特性的研究

4.1 混凝除浊的助凝特性

4.1.1 溶液pH值对Al2(SO4)3混凝剂混凝效果的影响

4.1.2 PTS与Al2(SO4)3最佳投配比

4.1.3 溶液pH值对PTS助凝效果的影响

4.2 混凝除腐殖酸时的助凝特性

4.2.1 PTS与Al2(SO4)3最佳投配比例

4.2.2 溶液pH值对PTS助凝除腐殖酸效果的影响

4.2.3 溶液pH值对PTS助凝除消毒副产物效果的影响

4.3 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录