工业用混凝剂的研究现状及发展
摘要：通过混凝法处理水中悬浮固体颗粒以及部分有机质已成为现有水处理工艺的重要处理流程，混凝剂的选择也成为近年来研究的热点。随着水体污染物质的复杂化，单一的无机混凝剂已经无法满足水体的处理需求。常用的传统混凝剂如铝系混凝剂、铁系混凝剂各有其缺点，无法提供良好的处理效果。而有机混凝剂使用时所需剂量小，处理效果好但由于其成本高昂，不适宜用于工业废水市政污水等大体量水处理。无机复合混凝剂通过聚合物的形成，结合了单一无机混凝剂的优点并克服了传统混凝剂处理过程中的弊端，逐渐成为当下运用最为广泛的一类混凝剂。其中以铝铁复合混凝剂为代表，其解决了铁系混凝剂进行水处理后参与色度高以及铝系混凝剂处理后水体铝参与浓度高的问题，如聚合氯化铝铁、聚合硫酸铝铁以及聚合硅酸铝铁等。同时，通过工业废渣例如煤矸石、粉煤灰等为原料，提取其中铝铁成分制备铝铁复合混凝剂。实现固体废物的资源化利用，同时降低混凝剂制备的原料成本。
随着社会经济的发展，工业化进程不断加快，生产过程中产生的废水含有的固体颗粒以及化学物质越来越多，这对人类健康以及可持续发展有着严重的威胁。特别是在水资源紧缺的当下，工业废水与市政污水的处理与回收利用更是迫在眉睫。通过对污染水体中污染质的相关参数进行评估来判断回用水的整体质量，例如固体悬浮物、天然有机质以及COD等等[1]。因此，需要选择适当的处理工艺以使得处理后水体符合各污染参数的相关标准。针对水中悬浮固体颗粒以及部分有机质的处理，常用的处理工艺有沉淀法、混凝法、气浮法、膜过滤法以及生物处理法等等，其中混凝法表现出了其独特的优越性[2]。通过混凝剂的添加，不仅可以分离水中悬浮固体颗粒，还可用去除废水中的色度及部分有机质，适用废水种类十分广泛，例如纺织废水、造纸废水、市政污水以及含油废水等[3]。
混凝剂的类型选择对于混凝效果的影响很大，通过压缩双电层、电中和作用、吸附架桥作用以及沉淀物网捕作用提高粒子的聚合形成大且快速沉淀的聚合物。可溶性铝盐和铁盐是混凝-絮凝过程中最常用的混凝剂。这些传统的混凝剂最显著的弊端是在稀释过程中混凝物质产生得很迅速而溶解物的形成无法控制[3]。并且，传统混凝剂由于其结构简单成分单一，不再能满足日益复杂化的水体环境的处理需求。单一无机聚合混凝剂，如聚合硫酸铁、聚合氯化铁以及聚合氯化铝等在上个世纪被广泛研究。铝系混凝剂在进行处理后会在水体中参与一定浓度的铝离子，而可能导致老年痴呆症；铁系混凝剂在进行处理后由于离子的水解作用而使得水体残余色度提高，同时铝系及铁系混凝剂会产生有害的残余金属污泥，对于后续污泥的处理由造成了新的问题。以含油废水为例，传统混凝剂在低含油浓度废水的处理中效果较好，但在高浓度含油废水中效果并不让人满意[4]。同时，有机混凝剂虽有投加剂量少、混凝效果好的优点，但其由于成本过高无法做大体量水体处理用，常用作助凝剂提高混凝效果[5]。
为了提高混凝剂的混凝效果，通过复合混凝剂结合传统混凝剂的优点，克服传统混凝剂带来的相关弊端突破传统混凝剂的限制。郑怀礼等人的研究表明，聚合硫酸铁是铁系的典型代表，具有水解强、混凝体积大、密实、沉降快、强度好等优点，但残余色度大。聚合硫酸铝虽然水解弱、混凝体积小、疏松、沉降慢，但残余色度小。若将二者复合成共聚型混凝剂聚合硫酸铝铁，兼有铝盐净水效果优良，铁盐沉降速度快、水处理成本低之优点；同时还克服了铝盐使用后过量铝残存于水中对人体有害，铁盐容易产生泛黄和变黑的不足[6]。
由于铝铁复合混凝剂原料易得制备简便并且有良好的混凝效果，是最常见的复合混凝剂[7]。王茜与张鲁超等人以煤矸石为原料，通过从中酸浸提取铝铁成分，制备聚合硫酸铝铁，并得到了混凝效果良好的最终产品[8, 9]。可见，以工业废渣为原料制备混凝剂已成为可行之策，通过固体废物的资源化利用，即符合我国可持续发展的战略，又能够降低生产的原料成本，具有良好的环境效益与经济效益[10]。
利用工业废渣制备混凝剂的方法大致为：粉碎、煅烧、酸浸、聚合以及熟化[11]。在制备过程中，原料的铝铁摩尔比、盐基度以及聚合过程中的温度、时间、pH等因素是影响混凝剂相关性能表征与混凝效果的重要原因。铁离子有利于提高聚合物的聚合程度，因此适当降低铝铁摩尔比可以有效提高混凝剂的聚合度，但铁离子的量过高则会削弱电中和能力降低絮凝效果[12]。因此铝铁摩尔比是改变混凝剂最终形态的重要因素，影响着混凝剂最终的混凝性能[13]。盐基度是氢氧根与金属离子的摩尔比，其值也是混凝效果的重要影响因素。在曹等人的研究中发现，铝铁摩尔比影响着金属离子和氢氧化物的水解反应，而盐基度则影响着混凝剂中单体物质与沉淀物的含量变化[14]。随着铝铁摩尔比的增加，残余的浊度先下降到最低值后略有增加；而随着盐基度的增加，污染物去除量不断增加。同时，混凝剂的结构以及物质组成也与聚合过程中的温度、时间、pH等因素息息相关[15]。混凝剂制备过程的条件优化是相关研究中不可或缺的一个步骤。判断混凝剂的性能可以从其结构特点与混凝效果两方面进行判断。通过红外光谱或透射电镜观察其微观结构，通过分析其结构特点、与传统混凝进行比对来对符合混凝剂的特性进行初步的描述与表征。测定混凝作用后的zeta;电势，处理水的残余浊度、色度以及COD等指标，对于复合混凝剂的宏观混凝效果进行分析与观察。
结论：
（1）混凝作为水处理工艺中重要的一个部分，混凝剂的选择是影响其处理结果的直接因素。
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