王東田 李圭白

　　摘　要：在水處理領域，特性聚硅酸是處理低溫低濁水時應用比較廣泛的絮凝劑，同時特性聚硅酸也是聚硅酸鹽類絮凝劑的重要組成部分論述了在酸性條件下制備特性聚硅酸的最佳聚合反應條件，提出了向酸中加入水玻璃這一不同于傳統制備聚硅酸的方法。對溫度、pH值、二氧化硅的濃度及高價金屬陽離子的影響進行了研究。
　　關鍵詞：絮凝劑；特性聚硅酸；制備；聚合條件

Studying The reactive Condition of characteristic polymerize silicic
WANG Dong-tian, LI Gui-bai

　　Abstract In water treatment domain, characteristic polymerize silicic acidis a kind of flocculant abroad used in treating low temperature and lowturbidity water, and characteristic polymerize silicic acid is alsoimportant component of polysillcate flocculant.The best polymerize reactivecondition to make characteristic polymerize silicic acid in acidicenvironment is reviewed in this paper, and put forward the method to addsoluble glass into acid which is differ from the traditional way to makepolymerize silicic acid. Investigated influences about the temperature, PHvalue, thickness of silicon dioxide, and high electropositive ion.
　　Keywords flocculant; characteristic polymerize silicic acid; make;polymerize reactive condition

0. 前言

　　聚硅酸（也稱活化硅酸）是以水玻璃(學名液體硅酸鈉）為主要原料，采用各種聚合劑(如強酸、弱酸或強酸弱堿鹽等)進行處理而得到的。
　　自本世紀三十年代后期，Baylis首先提出水玻璃經酸中和之后形成的聚硅酸具有絮凝作用以來^[1]，人們對聚硅酸的研究一直在不斷地進行，這是因為聚硅酸在水處理領域有其獨特的作用，主要表現在聚硅酸做為絮凝劑，在處理低溫低濁水的過程中具有其重要的作用^[2]。
　　傳統上，聚硅酸的制備常采用酸中和的方法，通過測定剩余堿度控制酸的加入量，一般剩余堿度控制在1200mg/L(以CaCO₃計)左右，此時溶液的pH值在9.0左右，然后放置1～2小時使硅酸發生聚合作用，形成具有絮凝作用的聚硅酸^[3]。這種方法制備的聚硅酸由于不穩定、易結凍，因而存放時間較短，有效成分二氧化硅的含量也較低。近年來，人們開始研究在酸性條件下制備聚硅酸的方法。與傳統的在堿性條件下的制備方法相比，酸性條件下制備的聚硅酸存放時間較長（一般可放置一個月以上不結凍），二氧化硅濃度較高（可達到3%左右），因而已逐步取代在堿性條件下制備聚硅酸的方法。

1. 特性聚硅酸的制備方法

　　在酸性條件制備特性聚硅酸的過程中，通常是采用將水玻璃加入到已經過稀釋的硫酸溶液中，這與傳統的將酸加入到水玻璃中的方法有所不同。根據對聚硅酸的研究發現，當溶液的pH值在7.0附近時，硅酸的聚合反應速度最快，因此為了避開這一pH值范圍，采取了將水玻璃加入到硫酸溶液中的方法。這樣，隨著水玻璃的不斷加入，溶液的pH值逐漸升高。當硅酸需要在某一酸性pH值范圍進行聚合反應時，根據酸度計對溶液pH值的檢測結果，當溶液的pH值達到要求的pH值時，便可停止加入水玻璃，使溶液在該pH值時進行聚合反應。

2. 特性聚硅酸聚合反應條件的研究

　　在制備特性聚硅酸的過程中，為了獲得良好的絮凝效果，必須盡可能使其聚合度達到有效聚合度的范圍，以保證得到分子量較大，表面羥基密度較高的特性聚硅酸。由于硅酸的聚合反應過程受pH值、二氧化硅濃度、溫度及金屬陽離子等因素的影響較大，為此，本論文首先研究了以上諸因素對硅酸聚合反應過程的影響情況，為聚硅酸鋁混凝劑提供最佳的制備條件。
2.1 pH值對硅酸聚合反應過程的影響
　　為了研究pH值對硅酸聚合反應過程的影響，保持聚合反應的溫度為15℃，二氧化硅濃度為1.5%。為了探討pH值對硅酸聚合反應速度的影響，以聚硅酸溶液成為不流動的凝膠狀態(即溶液呈膠凍狀態)
　　所需時間來表示硅酸聚合反應速度的快慢。實驗結果見圖-1。

　　由圖-1的實驗結果可知，當其它條件相同時，硅酸的聚合反應速度在pH值7.0附近最快。在酸性條件下(pH<7)，硅酸的聚合反應速度隨聚合反應初期的pH值升高而增大，酸性越強，硅酸的聚合反應速度越慢。根據硅酸的聚合反應機理可知，硅酸溶液中發生聚合反應作用的主要是H₃SiO₄^—和H₄SiO₄二種形態。根據化學反應質量作用定律可知，硅酸的聚合反應速度可表示為：

　　　　　　　　　　　　　　v=k[H₃SiO₄^-]^x.[H₄SiO₄]^y

　　式中 v——聚合反應速度
　　　　 k——聚合反應速度常數
　　　　 (x+y)——反應級數(x>0 y>0)
　　在酸性條件下，隨著溶液pH值的升高，溶液中的H₃SiO₄^—與H₄SiO₄數量逐漸增加，因而聚合反應速度v也逐漸增大。根據圖5-1可知，在制備特性聚硅酸的過程中，pH值一般在4.0左右比較好，聚合度易于控制。圖5-1的實驗結果還表明，在酸性條件下制備特性聚硅酸的過程中，當聚合反應進行到一定程度時，可以通過降低溶液pH值的方法來抑制硅酸的聚合反應速度。這一性質對特性聚硅酸的生產應用是非常重要的。在特性聚硅酸的實際生產應用過程中，當硅酸的聚合度達到有效聚合度時，向特性聚硅酸溶液中加入一定量的酸，使溶液的pH值降至2.0以下，這樣可以使特性聚硅酸的有效存放時間大大延長。
2.2 二氧化硅濃度對硅酸聚合反應過程的影響
　　在研究二氧化硅濃度對硅酸聚合反應過程的影響時，聚合反應條件如下：聚合反應溫度為17℃，聚合反應初期溶液的pH值為4.0。二氧化硅濃度對硅酸聚合反應速度的影響結果見圖-2。

　　圖-2的實驗結果表明，當其它聚合反應條件相同時，隨著二氧化硅濃度的提高，硅酸聚合反應速度也加快。這是因為，隨著二氧化硅濃度的提高，溶液中H₃SO₄^—與H₄SiO₄的濃度也逐漸增大，根據硅酸的聚合反應機理及化學反應質量作用定律可知，H₃SO₄^—與H₄SiO₄濃度的增大會使聚合反應速度加快，從而縮短了特性聚硅酸呈膠凍狀態所需的時間。
　　上述實驗結果表明，二氧化硅濃度不能太大，也不能太小。二氧化硅濃度太大，硅酸聚合反應速度過快，有效聚合度不易控制；二氧化硅濃度太小，一方面由于硅酸聚合反應速度較慢，達到有效聚合度的時間過長，不利于實際生產應用。另一方面由于二氧化硅濃度太小，特性聚硅酸的有效濃度過低，同樣不利于生產應用。因此二氧化硅濃度一般控制在3.5%左右。
2.3 溫度對硅酸聚合反應過程的影響
　　為了研究溫度對硅酸聚合反應過程的影響，實驗過程中將聚合反應初始時溶液的pH值調整為4.0，二氧化硅濃度控制在3%，聚合反應的溫度通過恒溫水浴鍋控制。溫度對硅酸聚合反應速度的影響結果見圖-3。
　　根據圖-3的實驗結果可以看出，隨著溫度的提高，聚合反應速度不斷加快，溫度每升高10℃，聚合反應速度提高近1倍。這是因為由于溫度的提高，溶液中的分子或離子的運動速度加快，于是增加了單位時間內發生聚合反應的分子或離子間的有效碰撞次數，聚合反應速度大大加快。
2.4 金屬陽離子對硅酸聚合過程的影響
　　為了探討金屬陽離子對硅酸聚合反應速度的影響，向二氧化硅濃度為3.0%、溫度為14℃、初始pH值為4.0的硅酸溶液中加入相同摩爾數的不同金屬陽離子，研究金屬陽離子對硅酸聚合反應速度的影響。實驗結果見表-1所示。

表-1 金屬陽離子對硅酸聚合反應速度的影響

試驗號

金屬陽離子

金屬陽離子濃度(mol/L)

初始聚合pH值

加入金屬陽離子后pH值

呈膠凍時間（小時）

1

Na⁺

0.01

4.0

3.95

15

2

K⁺

0.01

4.0

3.97

15

3

Ca²⁺

0.01

4.0

3.83

16.5

4

Mg²⁺

0.01

4.0

3.84

16

5

Fe²⁺

0.01

4.0

3.25

150

6

Al³⁺

0.01

4.0

2.75

300

7

Fe³⁺

0.01

4.0

1.45

580

8

—

—

4.0

4.00

15.5

　　由表-1的實驗結果可知，金屬陽離子對硅酸的聚合反應速度影響較大，而且不同的金屬陽離子對硅酸的聚合反應速度影響不同，金屬陽離子的價數越高，對硅酸的聚合反應速度影響越大。高價金屬陽離子的加入導致硅酸聚合反應速度降低的原因有二個，其一是由于高價金屬陽離子的加入，降低了溶液的pH值，導致溶液中H₃SO₄與H₄SiO₄的數量減少，硅酸的聚合反應速度也隨之降低；其二是由于高價金屬陽離子的原子核外有空軌道，能夠接受聚硅酸分子表面羥基上的氧擁有的孤對電子，于是分散了發生聚合作用的羥基氧的電子云密度，抑制了硅酸分子進一步發生聚合反應的速度。

3. 結論

　　綜合上述特性聚硅酸聚合反應條件的研究結果，可概括總結以下幾點：
　　1) 在酸性條件下制備特性聚硅酸時，溶液的pH值越高，聚合反應速度越快，pH值越低，聚合反應速度越慢。因此，當硅酸發生聚合反應的聚合度達到有效聚合度時，為了抑制聚合反應的進行，通常將溶液的pH值降低至2.0以下。
　　2) 二氧化硅濃度與硅酸的聚合反應速度成正比，在實際制備特性聚硅酸的過程中，二氧化硅濃度不能過高，也不能過低。濃度過高，由于硅酸的聚合反應速度較快，硅酸的聚合度不易控制，而濃度過低，聚合反應速度又過于緩慢，同時由于二氧化硅的濃度太小，不利于實際生產應用。
　　3) 溫度對硅酸的聚合反應速度影響較大，但由于實際生產中溫度是由環境決定的，因此只能根據環境溫度的變化來改變其它影響因素，如pH值、二氧化硅濃度及聚合反應時間等，使硅酸的聚合反應達到具有最佳絮凝作用效果的聚合度。
　　4) 由于高價金屬陽離子的加入能夠抑制硅酸的聚合反應速度，因此可根據實際生產需要，在硅酸已達到有效聚合度時加入一定量的高價金屬陽離子，抑制硅酸進一步發生聚合反應的速度。

王東田簡介
　　王東田，漢族，中共黨員，副教授，教研室副主任，1965年3月12日出生于吉林省九臺市。1986年7月畢業于東北師范大學化學系，獲理學學士學位；1993年3月畢業于天津大學應用化學系，獲工學碩士學位；1998年12月畢業于哈爾濱建筑大學市政環境工程學院，獲工學博士學位；2001年3月博士后研究工作期滿，現在哈爾濱工業大學工作。
　　一、發 表 論 文
　　1．“2，5-二甲氧基-4-氯苯胺的合成研究”， 哈爾濱建筑大學學報，2000.33（3），第一作者；
　　2. “聚硅酸鋁絮凝劑的制備及應用研究”， 哈爾濱建筑大學學報，1999.32（6），第一作者；
　　3. “高錳酸鉀復合藥劑除藻臭試驗”，中國給水排水，2000.16（11），第二作者；
　　4. “聚硅酸鋁鐵混凝劑的制備及應用研究”，工業水處理和海水淡化技術應用與發展研討會文集（中國科學技術部高新技術發展與產業化司編），1999.6（北京），第一作者；
　　5. “亞銨法制漿廢水處理技術研究” 哈爾濱建筑大學學報，2000.32（2），第二作者；
　　6.“聚硅酸鋁鹽混凝劑的研究與應用”，全國混凝劑行業發展戰略研討會論文集，2000.6（三門峽），第一作者；
　　7.“高鐵酸鹽氧化助凝效能研究”， 給水排水，1998（4），第二作者；
　　二、參加完成科研項目
　　1.“聚硅酸鋁絮凝劑應用效能研究”，1999年獲建設部科技進步三等獎，第二完成人；
　　2.“阻燃裝飾板的研制”，1998年獲黑龍江省教委科技進步二等獎，第二完成人；
　　3.“臭氧催化氧化去除水中有機污染物的效能與機理”，國家自然科學基金項目，1999年12月完成，第三完成人；
　　4.“多元聚合無機高分子混凝劑制備及效能研究”，黑龍江省科委重大科技攻關項目，已完成，第二完成人，成果達到國際先進水平。
　　5.“復合氧化飲用水除臭理論與工藝技術”， 國家自然科學基金項目，在研中，第二參加人；
　　6.“高錳酸鹽復合藥劑除污染技術”，國家計劃項目，2000年12月完成，主要參加人；