張郁松 汪 蕊 張國慶 張曉霞
鄭州市自來水公司

　　摘要 用聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁和水玻璃為原料，采用兩組份或三組份復配成系列凈水劑，模擬鄭州市自來水公司制水的工藝條件，對黃河原水進行處理試驗，測定了凈化后的余濁度，繪制了加藥量與余濁度的關系曲線。研究發現聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁和聚多硅酸以3:3:2(W/W/W)復配的凈水劑效果最好，適用溫度范圍寬。研究了復合凈水劑的凈水機理。
　　關鍵詞 聚合硫酸鐵，聚合氯化鋁，聚多硅酸，凈水劑，濁度測定法。

　　黃河水是黃河中下游諸省市的工業用水和飲用水的原水。眾所周知，黃河中下游水含泥沙量大，濁度高。尤其在多雨季節，水質條件則更加惡劣，有機雜質含量偏高。夏季的河水藻類繁衍旺盛，給常規的水質處理工藝加大了處理難度。目前，使用的凈水劑品種很多，如聚丙酰胺、聚合鐵、聚合鋁等凈水效果都不甚理想，大都存在著投藥量大，不同溫度下凈化效果明顯有差異，對不同水質適用能力差等弊端。因此，研究開發新型、高效、無毒、價廉的凈水劑是一項急不待的任務，也是國際制水行業所關注的重要課題^[1]。Takao Hasegawo等^[7]研究發現，高聚合度多硅酸與金屬離子復合使用，可產生良好的混凝沉降效果。作者選用聚合鐵、聚合鋁和水玻璃為原料，研究開發出一種新型復合凈水劑。該凈水劑具有加藥量少(≤15ppm)，對水溫適應范圍較寬，沉降凈化效果好、無毒、價格低廉等優點。經濟效益和社會效益十分顯著。同時還進一步分析探討了復合凈水劑的凈水機理。

　　1. 實驗部分

　　1.1 主要儀器和材料
　　JB90-D型強力攪拌器，SC956型攪拌器，STZ-A21型濁度儀、電爐、抽濾裝置和通用玻璃儀器。聚合硫酸鐵（簡稱PFS）鄭州市自來水公司生產，符合國家標準。
　　聚多硅酸(簡稱PSA)用市售水玻璃(約20％，W/W) 配制。取200克水玻璃于1000ml燒杯中，加600ml蒸餾水，攪拌下逐滴加入2MH₂SO₄溶液，當pH=2時停止加酸，繼續攪拌2h，制得透明的聚多硅酸溶液，保存備用。
　　聚合氯化鋁(簡稱PAC)按文獻方法制備^[3]。
　　其他化學試劑均是市售分析純。
　　被處理水是鄭州市自來水公司柿園水廠引來的原水(黃河水經預沉后提升)。
　　1.2 實驗方法
　　試驗操作模擬鄭州市自來水公司制水廠凈化水的工藝操作。加藥量不按理論純量計算，而是按商品材料或給定材料為純量計算。
　　取5個1000ml燒杯，分別向其中注入1000ml原水，以 200 轉/min轉速予攪拌1分鐘。稱取1.0克相應凈水劑用蒸餾水配成100ml溶液，其濃度認定為1％。用移液管分別取1.0，1.5，2.0，2.5，3.0ml該溶液，加入到攪拌器所附帶的試管中，然后分別傾入盛有原水的燒杯中，用蒸餾水洗滌小試管三次，洗滌液并入相應原水燒杯中。以200轉/min快速攪拌1分鐘，然后以55轉/min慢速攪拌15分鐘，靜置20分鐘，在距上清液表面深2~3cm處取水樣。調整STZ-A21型濁度儀的濁度值為0.00，用蒸餾水為空白，測定系列原水樣處理后的余濁度。

　　2. 結果與討論

　　2.1 PFS、PAC和PSA單獨凈水試驗
　　聚合硫酸鐵和聚合氯化鋁是目前最常用的凈水劑。試驗結果表明，這些凈水劑單獨使用時，PFS的凈水效果較好，但加藥量較大，用20ppm才能達到工藝處理標準(按工藝處理要求沉淀池出口余濁低于6 NTU)。PAC次之，其用藥量要用到25ppm才能達標。PSA基本沒有凈水作用，當用量超過20ppm，水中含出現大量絮狀沉淀，不易沉降，反而不利于水的凈化處理。 　　

　　2.2 PFS、PAC和PSA兩兩復配凈水試驗。
　　2.2.1 PFS和PSA復配凈水試驗
　　稱取1.0克PFS于100 ml容量瓶中，加一定量水稀釋后，加入4ml 5%的聚多硅酸溶液，用水稀釋到刻度、搖勻，此時PFS:PSA=5:1。調整二者的比例制得系列PFS和PSA的復配凈水劑。按1.2 實驗方法處理原水，測定余濁度。由比較可以看出，復配凈水劑的凈水效果比單獨使用PFS好的多，用藥量少(≤10ppm)，效果又好。實驗表明，PFS:PSA=3:1為最佳組合。由此看出，PSA是一種很優良的助凈水劑。但是PSA的加量不能太大，如果增加到1:1時，凈水效果稍差，還會產生大量的絮狀沉淀。
　　2.2.2 PAC和PSA及PAC和PFS復配凈水試驗
　　PAC和PSA及PAC和PFS復配凈水試驗操作與2.2.1相類似。試驗結果表明，PAC與PSA復配后也明顯提高了凈水效果，以3:1的比例為最佳，加藥量≤10ppm就能達到工藝標準。PAC與PSA復配不如PFS與PSA的凈水果好。當增加PSA的量時，例如達到2:1，也會出現大量絮狀沉淀。PFS和PAS復配的凈水效果沒有明顯提高。
　　2.3 PFS、PAC和PSA三組份復配凈水試驗
　　稱取0.5克PFS于100ml容量瓶中，滴加少量2MpSO4，然后加0.5克PAC，加入一定量的蒸餾水。按PFS和PAC的總量計，總濃度為1％。按比例加入PSA，加蒸餾水稀釋到刻度。調整PSA 的加入量，配制出系列三組份復合凈水劑。與兩兩復配的凈水效果相比，可以看出，三組份復合凈水劑的凈水效果比單組份或雙組份的都更好，特別是大于 3: 1 的三種組合當加藥量達到15ppm時，余濁度都小于2.00，效果非凡。但是，當復配比例小于5:1時，其效果還不如雙組份的好。相比較，2:1或3:1 為在三組的最佳組合。作者曾進一步減少加藥量考察凈水效果，發現小于10ppm的凈水效果都不甚好。
　　2.3.1 三組份復配比例的調整
　　現代醫學認為，鋁是造成老年性癡呆癥的一個重要因素。作者對三組份復配比例進行調整試驗，將PFS :PAC調整為3:1和5:1的條件下，再與PSA進行復配，試驗結果如表2所示。

　　(注：三組份比例順序:PFS:PAC:PSA)

　　由表2可以看出，調整比例后的凈水效果雖然沒有原先的效果好，但減少了對人體的影響因素，對環保和保健都是很有意義的。當三組份的比例為5:1:2的情況下，加藥量為10ppm時也能達到工藝處理標準。
　　2.4 水溫對凈水效果的影響
　　一年四季原水的溫度變化比較大，實踐證明水溫對多種凈水劑的凈水效果都有影響。如PAC 在較高溫度下其凈水效果很好，在較低溫度下基本無凈水作用。PFS 在較低溫度下對高濁度原水還有較強的凈水能力，顯示出獨特的優越性^[4]。作者采用 PFS:PAC:PSA=3:3:2的復合凈水劑，對高溫水和低溫水分別做了凈水試驗，結果如表3所示。由表3的結果可以看出，新型復合凈水劑在較高溫度下凈水效果很好，在較低溫度下，只要稍加大投藥量就能取得滿意的效果^[4]。作者采用 PFS:PAC:PSA=3:3:2的復合凈水劑，對高溫水和低溫水分別做了凈水試驗，結果如表3所示。由表3的結果可以看出，新型復合凈水劑在較高溫度下凈水效果很好，在較低溫度下，只要稍加大投藥量就能取得滿意的效果^[4]。作者采用 PFS:PAC:PSA=3:3:2的復合凈水劑，對高溫水和低溫水分別做了凈水試驗，結果如表3所示。由表3的結果可以看出，新型復合凈水劑在較高溫度下凈水效果很好，在較低溫度下，只要稍加大投藥量就能取得滿意的效果。

　　2.5 新型復合凈水劑凈水機理
　　聚合硫酸鐵和聚合氯化鋁在中性或偏堿性介質中易發生水解，生成多聚體的Fe(OH)₃或A1(OH)₃膠體。新生態膠體的比表面積很大，有很強的吸附能力。它們能把原水中懸浮的帶負電荷的膠體雜質^[1]，微生物及一些有害物質吸附其表面，沉降后達到凈化水的目的。在單獨使用聚合鐵或聚合鋁，或把二者混配使用時，Fe(OH)₃和A(OH)₃的膠粒表面都帶有正電荷，同性電荷相排拆，它們吸附雜質后沉降很慢，顯示出凈水效果差。多聚硅酸也是膠體，其膠粒表面帶有負電荷，它不能吸附原水中帶負電荷的膠體雜質，所以聚多硅酸的凈水效果很差。當聚多硅酸與聚合鐵和聚合鋁復配在一起使用時，異性電荷的膠體相互接觸發生電性中和，這些膠體被破壞^[5]，很快由細小膠粒聚集成大顆粒迅速沉降，呈現出優良的凈水效果。

　　3. 結論

　　聚合硫酸鐵和聚合氯化鋁單獨用作凈水劑，其凈水效果不甚理想。二者分別與聚多硅酸復配用作凈水劑，顯示出很好的凈水效果，特別是PFS、PAC和PSA三組份復配使用，凈水效果更佳。PFS:PAC:PSA＝3:3:2是復合凈水劑的最佳組合。新型復合凈水劑的凈水機理是膠體吸附和電性中和的共同作用。

　　參考文獻

　　[1] 胡翔，周定，水處理技術，1994，25(2)，114-117.
　　[2] Tskao Hasegawo et al ，us 4，923，629，1990.
　　[3] 萬婕，倪筱玲，王靜秋，大學化學，1998，13(3)，30-41
　　[4] 湯志松，武漢化工，1995，4，15-21.
　　[5] 北京師范大學籌編，無機化學，人民教育出版社，1981年版，980.