聚硅氯化铝絮凝剂的研制及性能研究
当在活性聚硅酸中加入适量的三价铝盐，由于铝离子与硅酸之间存在着吸附络合作用，即可共聚形成稳定的含铝离子的阳离子型聚硅酸［1］，该类絮凝剂在对胶体的混凝过程中可同时发生静电中和、吸附架桥及网捕三种功能，产生良好的絮凝效果［2］。近年来，铝盐和硅酸盐复合絮凝剂的开发研制成了国内外水处理领域的研究热点。国外于90年代初首先报道了聚合硅酸硫酸铝(PASS)的研究成功［3］，国内近几年也进行了初步的探讨研究［4、5］。研究应用发现，聚合硅酸铝比聚合铝在除浊、脱色、除油等方面都有更好的效果，具有残留铝、硅低的特点。因此，具有广泛的开发价值和应用前景。
本文用AlCl3和Na2SiO3为原料，制备了不同Al／Si摩尔比的聚合硅酸氯化铝(PolyAluminum Silicate—Chloride,简称PASC)，考察了Al／Si摩尔比、pH、SiO2浓度等因素对制备的影响，对其除浊、脱色、除油的性能进行了研究，并对残留铝、硅进行了测定，取得了满意结果，为其应用和工业生产奠定了理论基础。
1 实验部分
1.1 主要仪器与药品
pHS-2型酸度计；DBJ-621型定时变速搅拌器；721型分光光度计；751型紫外分光光度计；78-1型磁力加热搅拌器；氯化铝、盐酸、硅酸钠均为A.R级；聚合氯化铝(PAC)河南省巩义市南河渡福利净水材料厂生产，Al2O3含量34.9%，碱化度80.57%。高岭土、腐殖酸均为试剂级。
1.2 主要分析方法
浊度和油的含量分别采用分光光度法和紫外分光光度法测定［6］；碱化度(B＝［OH-］／3［Al3＋］×100%)按文献［7］方法测定；色度采用紫外分光光度法测定［8］；铝和硅采用分光光度法测定［8］。
1.3 PASC的制备
准确称取一定量的硅酸钠固体并用去离子水稀释到SiO2含量为5%左右，然后用10%的盐酸调节pH到一定值，控制反应时间进行聚合，当聚合完成后加入一定量的三氯化铝，搅拌使其溶解，放置陈化数小时，加水稀释使SiO2的浓度为1.0%～2.0%，此溶液即为聚合硅酸氯化铝溶液，呈无色透明状。
1.4 混凝实验
配制福马肼浊度为85度的高岭土人工浊液，做容器搅拌实验。混合转速120 r／min，时间40 s，反应转速40 r／min，时间10 min，静置10 min，取上清液测定剩余浊度。实际水样，另取部分上清液，用正庚烷萃取定容后，在225 nm波长下，测定油的含量。
配制腐殖酸含量为10 mg／L的人工溶液，pH 7.5，实验同上，以UV-751型紫外分光光度计测定吸光度(254 nm)得色度。
2 结果与讨论
2.1 pH和SiO2的含量对硅酸聚合过程的影响
PASC制备过程分两步进行：第一步为制备聚合硅酸；第二步是在聚合进行到适宜程度时加入氯化铝。由于聚合硅酸极不稳定，易凝结胶化，铝盐加入时间必须严格控制，否则会导致制备失败。为此研究了在一定温度下，pH和SiO2含量对硅酸聚合过程的影响，实验结果如表1、2所示。
表2中凝胶时间是指从加入酸开始到出现凝胶化所经历的时间。若凝胶时间太长则使制备时间拖长；若凝胶时间太短则没有足够的时间加入氯化铝。分析表2中的数据，选择pH 5.5～6.0，SiO2浓度在2%～3%的范围，使制备具有实际可操作性。此外，温度对聚硅酸稳定性也有一定的影响，制备SiO2含量为2%的聚硅酸溶液，并把其pH调节至5.0，然后搅拌加热至40℃，观察聚硅酸的胶凝时间，发现时间由原来的54 min缩短为23 min，表明温度的提高可明显加快硅酸的聚合。
2.2 影响PASC絮凝效果的因素
絮凝实验采用正交实验设计，选取Al／Si摩尔比、pH、PASC加药量及陈化时间为四因素，并根据实践经验选择3个水平，实验结果如表3所示。从表3数据可看出：Al／Si摩尔比对絮凝效果影响最大，比值为1.0时效果最佳，其次是PASC加药量，而pH及陈化时间对絮凝效果影响最小。由于Al／Si摩尔比是絮凝效果的关键因素，故又做了Al／Si摩尔比单因子影响絮凝效果的实验，如表4所示。当Al／Si摩尔比为1.0时，达到了最佳絮凝效果。
2.3 Al／Si摩尔比对PASC稳定性的影响
PASC中Al的含量影响其稳定性，即PASC保存时间的长短。硅酸的聚合是由相邻硅酸分子上的羟基缩水而成的，这种缩聚反应可形成链状分子、环状分子，甚至发展为三维体型分子而出现胶凝化。由于Al3＋与链状、环状大分子端基氢氧根之间的络合作用，而延缓了胶凝化的过程，使PASC得以稳定。实验配制了SiO2含量为2%，而Al含量不同的PASC系列样品。在室温下静置观测其胶凝时间，其试验结果如表5所示。当Al／Si摩尔比为0.25时，PASC保留时间最长，可达18天。
综上所述，如考虑PASC的稳定性，Al3＋／SiO2摩尔比应选择0.25，但在考虑絮凝效果时，应选择为1.0。
2.4 PASC与PAC对比实验
实验中比较了PASC与PAC在除浊、除油、脱色的性能，其实验结果见表6及表7。从实验结果可见，PASC明显比PAC的除浊、除油、脱色性能好，在加药量8～10 mg／L时均有很好的去除效果。这可能与PASC本身的结构特性有关。PASC是AlCl3与聚硅酸复合而成的，它具有较强电中和能力与吸附架桥能力，因而对带负电荷的颗粒具有良好的去除能力。
2.5 絮凝后水中残留硅和铝的测定
由絮凝试验所得的上清液测得残余溶硅和铝含量的平均值分别为0.46 mg／L和0.36 mg／L，使原水中硅和铝的含量分别降低99.4%和95.6%。实验结果表明：经PASC处理后水中残余硅和铝的含量均较低。
3 结论
(1) 制备PASC的最佳pH为5.5～6.0，SiO2浓度为2.0%～3.0%，就稳定性而言，Al／Si摩尔比应为0.25，就絮凝效果而言，Al／Si摩尔比应为1.0。
(2) PASC比PAC具有优异的絮凝、脱色、除油效果，并且水中残留的溶硅和铝含量均较低，值得开发研制和推广应用。