聚合硅酸铁盐类混凝剂研究进展
聚合硅酸铁盐是一类新型无机高分子混凝剂，是在聚硅酸和铁盐混凝剂的基础上发展起来的复合产物，它同时具有电中和作用及吸附架桥作用。该类混凝剂的开发研究在国外始于90年代初，在国内始于90年代中期。由于这类混凝剂比聚合铝(PAS、PAC)具有无毒、絮体颗粒沉降速度快、除浊、除油、脱色、除藻效果好等优点，因此受到了水处理界国内外学者的极大关注，成为无机高分子混凝剂研究的一个热点。笔者就近几年来国内外聚合硅酸铁盐类混凝剂研究进展做一概略评述，并对今后的研究工作提出建议。
1 国内外研究现状
国内外研究聚合硅酸铁盐类混凝剂的方法，按所用原料的不同可分为三种方法：(1)以水玻璃、氯化铁作原料进行研制；(2)以硅酸钠、硫酸铁作原料进行研制；(3)以水玻璃、聚合铁为原料进行研制。
1.1 以水玻璃、氯化铁作原料进行研制
这一研制方法的原理是：将水玻璃用水稀释到一定浓度，用盐酸酸化至一定pH，使硅酸聚合一定时间后，再调整pH，然后加入一定量的氯化铁，混合反应，陈化后即得到液体的聚合硅酸氯化铁。1995年，李明［1］利用此法，制备了聚合硅酸氯化铁(PFSC)混凝剂，并将该混凝剂应用于工业印染废水和化纤废水处理中，收到了满意的效果。1997年，栾兆坤［2］和王东生［3］等人，也先后报道了聚合硅酸氯化铁(PFSC)的制备，并对高岭土和腐植酸及硅藻土人工液分别进行了除浊和脱色的混凝实验。与聚合氯化铁(PFC)混凝对比实验结果表明：PFSC比PFC具有更明显的除浊和脱色混凝效果，除浊率和脱色率分别提高30%和25%。研究表明：PFSC的混凝性能与Si／Fe摩尔比、硅酸聚合pH有关。实验中发现聚合硅酸铁溶液中加入Al3+后，产品稳定性有明显提高，这为研制聚合硅酸氯化铝铁混凝剂奠定了理论基础。1999年，李玉江等人［4］也用类似的方法，制备了PFSC，并对工业染料废水进行了混凝脱色研究。实验表明：在混凝剂投加量为200 mg／L时，脱色率为87.9%，COD去除率58.1%；并对PFSC的混凝机理进行了探讨，指出PFSC是一种含有硅酸聚合体、桥联聚合体和多种铁离子水解体的复合型无机高分子混凝剂。
1.2 以硅酸钠、硫酸铁作原料进行研制
该研制方法的一般步骤是：将硅酸钠用水稀释到一定浓度，用硫酸酸化至一定pH，使硅酸聚合一定时间后，再调整pH后加入一定量的硫酸铁，混合均匀微热反应，陈化后即得到液体的聚合硅酸硫酸铁(PFSS)。1997年，宋永会等人［5］按上述方法 ，首先制备了聚合硅酸硫酸铁(PFSS)，并与硫酸铁(FS)和聚硅酸(PSA)对比，进行了洗煤废水和城市污水的混凝处理研究，试验结果表明，PFSS的性能明显高于FS和PSA，研究结果表明，在Fe／Si摩尔比为1∶1时，PFSS的稳定性最佳，虽然胶凝后的PFSS较未胶凝的除浊效果略有下降，但仍具有一定的混凝除浊性能。同年，胡翔等人［6］也报道了PFSS处理低温低浊水的研究。其后，高宝玉等人［7］以硅酸钠、硫酸铁、硫酸作原料，也制备了PFSS混凝剂。研究结果表明，Fe/SiO2摩尔比不仅与混凝效果 、最佳除浊pH范围有关，而且对水解产物的ζ电位有较大的影响。1999年，胡翔等人［8］又报道了PFSS的制备，并用粘度法测其分子量大于40万道尔顿，探讨了聚合硅酸盐类混凝过程的动力学和机理，研究指出，聚合硅酸铝铁比PFSS具有显著的除浊性能，为后来的聚合硅酸硫酸铝铁的研制奠定了试验的理论基础。其后，张令芬等人［9］报道了以绿矾(FeSO4·7H2O)氧化液替代硫酸铁制备PFSS的研究，混凝试验表明 ，当Fe/SiO2摩尔比为1.0，pH为5～10时，PFSS显示出良好混凝效果。Watanabe等人［10］利用此法也制备了Fe/SiO2摩尔比范围在1∶1至1∶5之间，分子量为20～50万道尔顿的聚合硅酸铁，并将该产品应用于市政废水和水藻处理中，与PAC除藻对比试验结果表明，聚合硅酸铁比PAC具有显著的除藻性能，除藻率大于98%。日本学者Katsushi［11］和Katsuyuki等人［12］对上述制备方法做了改进，他们将含三价铁离子的酸性溶液加到硅酸钠溶液中，在pH为2.5～5.5的条件下，聚合制得了聚合硅酸硫酸铁溶液，使该法缩短了制备时间。
1.3 以水玻璃、聚合铁为原料进行研制
该法研究思路是：将水玻璃酸化得到的聚硅酸与聚合铁溶液混合后，反应、陈化一定时间，即得到液体的聚合硅酸聚合硫酸铁(PSPFS)和聚合硅酸聚合氯化铁(PSPFC)混凝剂产品。李和平等人［13］利用上述方法，制得的PSPFS混凝剂，研究结果表明，当Fe/SiO2摩尔比在1.0～1.5之间，制得的PSPFS混凝剂的稳定性(保存期3～12月)和除浊性能最好。并与聚合硫酸铁(PFS)对比进行了混凝试验，结果表明，PSPFS混凝效果明显优于PFS。PSPFS红外光谱研究表明，聚铁离子与活性硅酸离子之间存在的作用使它们各自在胶体中的自由度降低，表现出非离子性键合；聚铁离子中起架桥作用的OH与聚合硅酸中Si—O基之间进一步形成氢键，在原有的链状结构中还会生成支链，从而使它们的自由度降低。PSPFS这种特殊结构更增加了聚合分子的分子量，利于混凝沉降，也就改善了混凝剂的混凝性能和效果。近来，刘红等人［14］将PFS和聚合氯化铁(PFC)分别与聚硅酸在一定的条件下复合后，制得了PSPFS和PSPFC混凝剂，对乳化油的破乳试验表明，除油性能大到小次序是：PSPFS＞PSPFC＞PPFC(聚合磷酸氯化铁)＞PFS，进一步研究表明，在PFS中引入PS，能形成性能优异的无机阴阳复合型絮凝剂，二者之间有协同增效作用，且PS稳定性可大幅度提高。
2 今后研究工作建议
聚硅酸铁盐是近年来发展起来的高效无机高分子混凝剂。为使这类产品早日广泛地应用到工业水处理中，笔者就今后的研究工作提出如下建议。
(1) 开展聚硅酸与铁盐之间的相互作用及混凝机理研究
聚硅酸铁盐混凝剂是聚硅酸与铁的螯(络)合物，二者的共存及相互作用势必影响铁盐的水解作用以及水解产物的电中和能力，因而影响产品的混凝效果。为此要深入研究在聚硅酸存在下金属离子的带电特性与形态特征，研究聚硅酸对金属离子的作用情况及金属离子对聚硅酸的胶凝作用情况。要从这类混凝剂的结构及组成出发，探讨混凝机理，为高效混凝剂的开发及产品应用的优化奠定理论基础。
(2) 研究制备聚硅酸铁盐混凝剂的新工艺，提高产品的絮凝性能及稳定性
聚硅酸铁盐混凝剂主要是利用铁盐水解形成的阳离子对胶体颗粒的电中和作用，以及具有较高分子量的聚硅酸对脱稳胶粒的吸附架桥作用达到净水效果。SiO2含量过高，不但产品的稳定性差，且正电荷降低，电中和能力减低；金属离子浓度过高，聚硅酸的吸附架桥作用能力减弱。所以在制备中，二者要相互兼顾，控制好各自的最佳聚合条件，同时应加强对聚合硅酸铝铁盐类混凝剂的制备工艺的研究，以研制出分子量大、荷电量多、适应性强、稳定性好的优良产品。
(3) 广泛开展应用研究
新型混凝剂研究与开发的最终目的是为了应用。因此，应开展新型混凝剂处理水时适用的最佳工艺条件、应用范围的研究，并与现有无机混凝剂的处理效果及处理成本相比较，以便开发出效果好、成本低、应用范围广的新产品。