一种聚合硅铝铁混凝剂及其制备工艺 (一)技术领域
本发明涉及一种聚合硅铝铁混凝剂及其制备工艺，属于化学技术领域。
(二)背景技术
目前，水污染以及水资源短缺问题越来越成为制约经济发展的重要因素。为了节约水资源，提高水的利用率，减轻和消除污水对人类和环境造成的危害，必须加强污水的净化处理研究。在水处理工艺中，混凝沉淀是应用最普遍的关键技术环节之一，它决定着后续流程的运行工况、最终出水水质和运行成本，因而成为环境工程领域中重要的研究内容之一。混凝处理效果的好坏在很大程度上取决于混凝剂的品质。所以研制和开发新型高效、无毒、价廉的无机高分子混凝剂成为水处理领域中一项迫切的任务，具有重大的现实意义。
目前，在水处理领域中广泛应用的混凝剂主要有无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂两类，无机絮凝剂是在传统的铝盐、铁盐絮凝剂基础上发展起来的一类新型水处理药剂，传统铝、铁盐类絮凝剂使用历史悠久，60年代后期逐渐被迅速发展起来的无机高分子絮凝剂所替代，后者比前者有更好的絮凝效果而相应价格较低。然而，随着工厂排放的废水种类和数量越来越多，水质越来越复杂，单纯的铝盐及铁盐类无机高分子絮凝剂已不能满足废水处理过程中提出的越来越高的要求。所以，研制更加高效无毒地无机高分子絮凝剂成为水处理领域的主要任务之一。
关于聚硅酸铁铝混凝剂、聚铁铝硅絮凝剂、聚铝铁硅絮凝剂等研究报道，参见胡翔，周定.高效无机混凝剂聚硅酸铁铝的研究[J].中国环境科学，1999，19(3)：266-269；许佩瑶，丁志农.粉煤灰硫铁矿渣制备聚铁铝硅混凝剂及应用研究[J].环境工程，2000，18(2)：46-49；栾兆坤，刘振儒.聚铝铁硅絮凝剂的合成方法及其混凝效能[J].环境化学，1997，16(6)：546-551。而以聚硅酸、AlCl3·6H2O、FeCl3·6H2O为主要原料制备聚合硅铝铁混凝剂，目前尚未见文献报道。在国外文献数据库中，目前未见相关文献报道。
(三)发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种聚合硅铝铁混凝剂及其制备工艺，制备出既具有良好贮存稳定性又具有良好絮凝效果的聚合硅铝铁混凝剂。
聚合硅铝铁混凝剂，外观为棕红色液体，含Al2O3+Fe2O3+SiO2的重量百分比7.5％～12％，含Al2O3的重量百分比4.5％～7.5％，含Fe2O3的重量百分比2.5％～4.5％，含SiO2的重量百分比0.5％～1.5％，密度(20℃)1.05～1.13，碱化度50～70％，pH1.5～2.5。
本发明的聚合硅铝铁混凝剂的制备方法如下：以聚硅酸、AlCl3·6H2O、FeCl3·6H2O为主要原料，聚硅酸的分子量为105-106道尔顿。先用蒸馏水和AlCl3·6H2O、FeCl3·6H2O配制成Al/Fe摩尔比在2～4范围内的溶液，然后加入Na2CO3和聚硅酸，采用复合法或者共聚法制备聚合硅铝铁混凝剂。
(1)复合法：取上述Al/Fe摩尔比在2～4范围内的AlCl3·6H2O、FeCl3·6H2O溶液，在室温下缓慢加入Na2CO3粉末至碱化度50～70％，然后加入聚硅酸，控制(Al+Fe)/Si摩尔比5.0～7.5，并继续快速搅拌1小时。
(2)共聚法：取定量的Al/Fe摩尔比在2～4范围内的AlCl3·6H2O、FeCl3·6H2O溶液，在室温下加入聚硅酸，控制(Al+Fe)/Si摩尔比5.0～7.5，然后加入Na2CO3粉末至碱化度50～70％，并继续快速搅拌1小时。
本发明制备得到的聚合硅铝铁混凝剂作为一种新型高效的水处理药剂，可广泛应用于给水、废水处理，石油开采、造纸、采矿、纺织印染、日用化工等领域。
本发明聚合硅铝铁混凝剂采用复合法、共聚法两种工艺，制得既具有良好絮凝效果又具有高贮存稳定性的聚合硅铝铁混凝剂。
本发明的聚合硅铝铁混凝剂与现有技术相比具有如下优良效果：
本发明的聚合硅铝铁混凝剂是在聚硅酸和传统铝盐、铁盐絮凝剂的基础上发展起来的新型复合无机高分子絮凝剂。是以聚硅酸、AlCl3·6H2O、FeCl3·6H2O为原料，采用将聚硅酸引入到铝、铁盐溶液中的方法制备而成。该混凝剂综合了聚硅酸粘结聚集、吸附架桥效能强，铝、铁盐电中和能力强以及铝盐絮凝剂絮体大，脱色性能好和铁盐絮凝剂絮体密实、沉降速度快，具有良好的水处理效果。本发明采用复合法、共聚法两种工艺生产制备的聚合硅铝铁混凝剂，具有生产工艺简捷、经济、适用等特点。
(四)具体实施方式
实施例1：复合法
取定量的Al/Fe摩尔比＝2.5的AlCl3·6H2O、FeCl3·6H2O溶液，加入Na2CO3至碱化度60％，然后加入聚硅酸，控制(Al+Fe)/Si摩尔比＝5.5，此法制备的产品以No.1表示。
所得聚合硅铝铁混凝剂外观为棕红色液体，含Al2O3+Fe2O3+SiO2的重量百分比为8.3％，含Al2O3的重量百分比为6.2％，含Fe2O3的重量百分比为2.8％，含SiO2的重量百分比为0.9％，密度(20℃)为1.10，碱化度为62％，pH为2.1。
实施例2：共聚法
取定量的Al/Fe摩尔比＝2.3的AlCl3·6H2O、FeCl3·6H2O溶液，加入聚硅酸，控制(Al+Fe)/Si摩尔比＝5.4，然后加入Na2CO3至碱化度58％，此法制备的产品以No.2表示。
所得聚合硅铝铁混凝剂外观为棕红色液体，含Al2O3+Fe2O3+SiO2的重量百分比为8.8％，含Al2O3的重量百分比为5.9％，含Fe2O3的重量百分比为4.7％，含SiO2的重量百分比为1.1％，密度(20℃)为1.12，碱化度为68％，pH为1.9。
实施例3：复合法
取定量的Al/Fe摩尔比＝3.2的AlCl3·6H2O、FeCl3·6H2O溶液，加入Na2CO3至碱化度55％，然后加入聚硅酸，控制(Al+Fe)/Si摩尔比＝5.2，此法制备的产品以No.3表示。
所得聚合硅铝铁混凝剂外观为棕红色液体，含Al2O3+Fe2O3+SiO2的重量百分比为7.9％，含Al2O3的重量百分比为7.6％，含Fe2O3的重量百分比为2.1％，含SiO2的重量百分比为1.5％，密度(20℃)为1.09，碱化度为62％，pH为2.2。
实施例4：共聚法
取定量的Al/Fe摩尔比＝3.0的AlCl3·6H2O、FeCl3·6H2O溶液，加入聚硅酸，控制(Al+Fe)/Si摩尔比＝5.0，然后加入Na2CO3至碱化度60％，此法制备的产品以No.4表示。
所得聚合硅铝铁混凝剂外观为棕红色液体，含Al2O3+Fe2O3+SiO2的重量百分比为8.3％，含Al2O3的重量百分比为7.1％，含Fe2O3的重量百分比为3.1％，含SiO2的重量百分比为1.9％，密度(20℃)为1.11，碱化度为68％，pH为2.0。
本发明的聚合硅铝铁混凝剂适用于给水、废水处理，石油开采、造纸、采矿、纺织印染、日用化工等领域。
应用实例之一
将以上实施例1、2、3、4制备的No.1、2、3、4聚合硅铝铁混凝剂产品用于高岭土混浊水的混凝除浊处理，同时与聚合氯化铝作对比。原水浊度为82NTU，pH值7.2，水温14℃，处理结果列于表1。
表1聚合硅铝铁混凝剂的混凝除浊效果 No. 不同投药量(以Al3+的10-5mol/L计)下，处理后水的剩余浊度 (NTU) 2.0 4.0 6.0 8.0 101 24 8 2.9 1.9 1.72 26 8.9 3.6 2.3 1.63 23 7.8 3.1 2.0 1.54 21 7.3 2.7 1.9 1.4聚合氯化铝 32 14 6.9 4.6 3.4
从以上处理结果可见，聚合硅铝铁混凝剂的混凝除浊效果明显优于聚合氯化铝絮凝剂。
应用实例之二
将以上实施例1、2、3、4制备的No.1、2、3、4聚合硅铝铁混凝剂产品用于含腐植酸的有色水的混凝除浊脱色处理，同时与聚合氯化铝絮凝剂作对比。原水色度以370nm吸光值表示，其值为0.178。pH值7.30，水温14℃，处理结果列于表2。
表2聚合硅铝铁混凝剂的混凝脱色效果 No. 不同投药量(以Al3+的10-5mol/L计)下，处理后水的剩余色度 2.0 4.0 6.0 8.01 0.172 0.066 0.029 0.0242 0.170 0.073 0.030 0.0263 0.165 0.059 0.027 0.0234 0.161 0.058 0.024 0.023聚合氯化铝 0.184 0.092 0.052 0.045
从以上处理结果可见，聚合硅铝铁混凝剂的混凝脱色效能也明显优于聚合氯化铝絮凝剂。