聚合氯化铝与氧化镁混凝去除电厂循环排污水中的硅

2022-11-15张静静郭瑞军焦金玲孙明明黑焕焕

化工管理 2022年30期

张静静，郭瑞军，焦金玲，孙明明，黑焕焕

(1.国能唯真(山东)测试分析有限公司，山东济南 250014；2.国能神东煤炭集团有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017209 )

0 引言

循环排污水具有成分复杂、盐分和有机物含量高及浊度低等特点[1]。其中较高含量的硅会与水中的Ca2＋、Mg2＋生成CaSiO3垢和MgSiO3垢，降低换热器的传热效率，堵塞管道从而缩短设备的使用寿命[2]，因此有必要对循环排污水进行除硅处理。目前常用的处理方法有混凝法[3-7]、反渗透法、电凝聚除硅[8-9]、离子交换法[10]和吸附法[11-12]等。

其中混凝法因其除硅药剂来源广泛、成本低且操作简单而被广泛应用。混凝除硅是利用金属氧化物或氢氧化物对硅进行吸附或者凝聚来达到除硅的目的。常用的试剂有石灰、MgO、铁盐和铝盐等。赵晓非等[13]考察了Ca(OH)2、CaCl2、MgCl2、PAC、MgO和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)对稠油污水的除硅效果，结果表明Ca(OH)2和CaCl2的除硅效果不明显而PAC和MgO对硅的去除效果最明显且PAC对胶体硅具有良好的去除效果，MgO对溶解性硅有良好的去除效果，两者复配后增强了除硅效果。董凯等[14]研究了利用MgO去除水中硅的效果，研究结果表明MgO可以有效去除水中的硅，去除率可达到90%，且除硅的同时还可降低水的硬度。当提高水的温度和pH值、增加MgO的用量时，硅的去除率也随之升高。

本文研究了如何利用PAC与MgO的协同作用以更好地去除循环排污水中的硅，以某热电厂的循环排污水为对象，分析了影响除硅效果的PAC和MgO的用量、反应温度及反应时间等参数，优化了除硅条件。

1 实验部分

1.1 实验用水水质

本文的研究对象为某热电厂的循环排污水，循环排污水中硅的含量为53.2 mg/L。

1.2 实验试剂及仪器

试剂包括：PAC，分析纯(天津大茂化学试剂厂)；MgO，分析纯(国药集团化学试剂有限公司)；钼酸铵，分析纯(国药集团化学试剂厂)；抗坏血酸，分析纯(国药集团化学试剂厂)。

仪器包括：Fb-85磁力搅拌器(华长(吉林)科技有限公司)，VIS-7220N可见分光光度计(北京瑞利分析仪器有限公司)，天平(梅特勒—托利多仪器(上海)有限公司)。

1.3 实验内容

1.3.1 PAC用量对硅含量的影响

取若干份200 mL的循环排污水于250 mL的烧杯中，在常温下向其中分别加入0.1、 0.2、0.3、0.4、0.5 mL的 10%PAC溶液，先以500 r/min的转速搅拌2 min，使得 PAC与水充分混合，再以100 r/min的转速搅拌5 min，使矾花直径逐步增大以便沉淀，静置30 min，取其上清液，测定其中的硅含量。

1.3.2 MgO用量对硅含量的影响

取若干份200 mL的循环排污水于250 mL的烧杯中，在50 ℃的条件下分别按m(MgO)∶m(SiO32-)为10∶1、20∶1、30∶1、50∶1和70∶1的比例加入MgO。为保证MgO与水中的SiO3

2-充分反应，将转速设为500 r/min并搅拌40 min。

为减少MgSiO3颗粒表面的静电斥力、促使其完全沉淀并使PAC具有良好的混凝效果，待溶液冷却后再加入最适量的10% PAC溶液，先以500 r/min的转速搅拌2 min，使得PAC与水充分混合，再以100 r/min的转速搅拌5 min使矾花直径逐步增大以便沉淀，静置30 min，取其上清液，测定其中的硅含量。

1.3.3 反应温度对硅含量的影响

取若干份200 mL的循环排污水于250 mL的烧杯中，分别在20、30、40、50 和60 ℃条件下按m(MgO)∶m(SiO32-)为20∶1的比例加入MgO。为保证MgO与水中的SiO32-充分反应，将转速设为500 r/min搅拌40 min。为减少MgSiO3颗粒表面的静电斥力、促使其完全沉淀并使PAC具有良好的混凝效果，待溶液冷却后再加入最适量的10% PAC溶液，先以500 r/min的转速搅拌2 min，使得PAC与水充分混合，再以100 r/min的转速搅拌5 min使矾花直径逐步增大以便沉淀，静置30 min，取其上清液，测定其中的硅含量。

1.3.4 反应时间对硅含量的影响

取若干份200 mL的循环排污水于250 mL的烧杯中，在50 ℃的条件下按照m(MgO)∶m(SiO32-)为20∶1的比例加入MgO。为保证MgO与水中的SiO32-充分反应将转速设为500 r/min，分别搅拌20、40、60、80和100 min。为减少MgSiO3颗粒表面的静电斥力、促使其完全沉淀并使PAC具有良好的混凝效果，待溶液冷却后再加入最适量的10% PAC溶液，先以500 r/min的转速搅拌2 min，使得PAC与水充分混合，再以100 r/min的转速搅拌5 min使矾花直径逐步增大以便沉淀，静置30 min，取其上清液，测定其中的硅含量。

1.4 检测方法

水中的硅含量的测定采用硅钼蓝比色法[15]。

2 结果与讨论

2.1 PAC用量对硅含量的影响

向循环排污水中加入不同质量的PAC，以研究PAC用量对循环排污水中硅含量的影响。PAC是一种水溶性无机高分子聚合物，具有较强的架桥吸附性能。它在溶液中多以悬浮态的铝存在，悬浮态的铝可以发生水解并生成带正电的Al(OH)3胶体，而水中的胶体硅带负电，在静电作用下Al(OH)3胶体能够破坏胶体硅的稳定性，同时溶解的铝会与硅酸和聚硅酸发生反应生成具有絮凝作用的聚合物，从而进一步通过吸附作用将不稳定的胶体硅聚集沉降，起到除去水中的胶体硅的作用[16]。

如图1所示，当单独使用PAC进行除硅时，随着PAC用量的增加，循环排污水中硅的含量逐渐降低。当PAC使用量为150 mg/L时，循环排污水中的硅含量是38.2 mg/L，去除率只有28.2%。随着PAC用量的继续增加，硅的去除效果不明显，这是由于PAC对去除水中胶体硅的作用较大，而对去除溶解性硅的作用较弱[13]。可见循环排污水中含有的硅多为溶解性硅，对溶解性硅的去除需再使用其他除硅剂。

图1 PAC用量对硅含量的影响

2.2 MgO用量对硅含量的影响

向循环排污水中加入不同质量的MgO，控制反应温度为50 ℃并搅拌40 min，再加入PAC混凝沉淀以研究MgO用量对循环排污水中硅含量的影响。MgO用量直接影响循环排污水中硅的去除率。MgO主要是去除水中的溶解硅。MgO能与水中的SiO32-发生反应生成MgSiO3沉淀并吸附水中剩余未反应的SiO32-，沉淀的表面因吸附了SiO32-而带负电，相互排斥。一部分的MgSiO3沉淀因为足够大而能够凝聚沉降，另一部分则因为静电斥力的作用能够克服重力进而无法凝聚沉降、使硅难以完全除去[13]。当引入PAC时MgO的除硅效果变好，这是由于PAC表面带正电，能够中和带负电的MgSiO3颗粒，破坏其稳定性，使其在絮凝作用下形成较大的颗粒并发生沉降，达到除硅的目的。

如图2所示，在PAC的作用下，随着MgO用量的增加，循环排污水中的硅的含量几乎呈现直线下降的趋势。当m(MgO)∶m(SiO32-)的比例为20∶1时，循环排污水中的硅的含量为4.40 mg/L，去除率为91.7%；当m(MgO)∶m(SiO32-)的比例为70∶1时，循环排污水中的硅的含量为0.09 mg/L，去除率可高达99.8%。但在实际应用中MgO的用量过多会增加去除成本，故当m(MgO)∶m(SiO32-)的比例为20∶1时较为合理。

图2 MgO用量对硅含量的影响

2.3 反应温度对硅含量的影响

向循环排污水加入MgO，在不同的温度下搅拌40 min，再加入PAC混凝沉淀以研究反应温度对循环排污水中硅含量的影响。温度对反应有较为重要的影响，升高或降低反应温度可以改变反应的进程，能够在一定程度上加快或减慢反应的进行。随着温度的升高，硅的去除率逐渐提高，这是由于MgO与SiO32-的反应是一个受热力学控制的过程，较高的温度能够加快MgO与SiO32-反应的进行，生成更多的MgSiO3颗粒进而提高了水中硅的去除率[17]。如图3所示，当反应温度达到50 ℃时，循环排污水中硅的含量是6.23 mg/L，硅的去除率为88.3%；当温度升高到60 ℃时，循环排污水中硅的含量是4.35 mg/L，硅的去除率为91.8%。由此可以看出温度升高10 ℃对硅的去除率影响不大，从经济效益和实际效果的角度选择50 ℃的反应温度较为合理。若对循环排污水中硅的去除率要求较高可选择50 ℃的反应温度，反之，若对硅的去除率要求较低则可以在常温下进行反应。在实际应用中会采用釜式加热的方式来控制反应温度。

图3 反应温度对硅含量的影响

2.4 反应时间对硅含量的影响

向循环排污水加入MgO，控制反应温度为50 ℃并搅拌不同的时间，再加入PAC混凝沉淀以研究时间对循环排污水中硅含量的影响。反应时间是影响化学反应的一个重要因素，延长反应时间可以在一定程度上使反应更彻底。随着反应时间的延长，循环排污水中硅含量也逐渐降低。如图4所示，当反应时间为40 min时，循环排污水中硅的含量是4.98 mg/L，硅去除率可达90.6%；当反应时间为100 min时，循环排污水中硅的含量降至0.66 mg/L，去除率达到98.8%，这是因为在较短的时间内MgO与SiO32-的反应较难达到平衡而延长反应时间可以实现MgO与SiO32-的反应平衡，促进MgSiO3颗粒的生成进而提高了硅的去除率。但在实际应用中反应时间的延长意味着经济成本也会相应增加，故选择40 min的反应时间较合理。