專利名稱:一種水處理方法及其絮凝劑的制作方法
本發(fā)明涉及一種水化學(xué)處理方法和絮凝劑，可用于不同的供水和廢水處理。
在水的凈化和廢水處理中，要使用各種絮凝劑去除雜質(zhì)和以懸浮態(tài)出現(xiàn)的分散物質(zhì)。例如采用硫酸鋁、三氯化鐵和其它無(wú)機(jī)低分子絮凝劑，聚合氯化鋁(PAC)和其它無(wú)機(jī)聚合絮凝劑，聚丙烯酰胺和其它有機(jī)聚合絮凝劑。
盡管人們普遍采用價(jià)格較低的硫酸鋁，然而它并不是高效絮凝劑，因?yàn)樗木奂俣鹊?，形成的絮狀物小，尤其?dāng)處理低溫水時(shí)，聚集作用進(jìn)行得不充分，除此而外，硫酸鋁能大大降低堿度，必須與大量堿性化學(xué)藥品或其它助凝劑一起使用。
三氯化鐵溶液具有一些聚集上的優(yōu)點(diǎn)，如它能形成大的絮狀物，與不同的重金屬形成有效的共沉淀作用。但是，三氯化鐵具有腐蝕性，而且它的穩(wěn)定性也不高，此外，它還必須與熟石灰一起使用，而熟石灰本身又會(huì)產(chǎn)生大量污泥，焙燒這些污泥將會(huì)造成環(huán)境的“二次污染”。
聚合氯化鋁(PAC)〔Al2(OH)nCl6-n〕取代硫酸鋁而被廣泛采用，因?yàn)榧词乖诘退疁貢r(shí)，它也能實(shí)現(xiàn)充分聚集，而且絮狀物的形成速度也比較快，但是由于聚合氯化鋁的生產(chǎn)過(guò)程包括許多復(fù)雜的、難以控制的條件，很難獲得聚集能力相同的產(chǎn)品。而且聚合氯化鋁的價(jià)格也比硫酸鋁高得多。
聚丙烯酰胺和其它有機(jī)聚合絮凝劑能以較高的速度形成較大的絮狀物。但是它們有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即處理后的水并不總是無(wú)害的。
綜上所述，本發(fā)明的目的是提供一種即無(wú)害又便宜的水處理方法和絮凝劑，它能快速形成大的絮凝物，并且能在較寬的溫度和pH值范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)絮凝。
在本發(fā)明的水處理方法中，采用高聚合的硅酸作為絮凝劑，與少量的金屬鹽一起使用，在以往的水處理方法中，用硫酸鋁等等作絮凝劑，用活化的二氧化硅(activated silica)作助凝劑，在這種情況下，未達(dá)到高度聚合的硅酸是按與硫酸鋁中的鋁的最大摩爾比約為1.1的情況下來(lái)使用的。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)當(dāng)高聚合的硅酸與少量的金屬離子一起使用時(shí)，顯示出極強(qiáng)的形成絮狀物的能力，基于以上發(fā)現(xiàn)，發(fā)明者研制出一種新的、用聚合硅酸作為主要絮凝劑的水處理方法。
聚合硅酸能通過(guò)聚合市售的“水玻璃”(硅酸鈉)制備，聚合硅酸的特性粘度大約為單一硅酸的特性粘度(0.104)的兩倍多，此外，聚合反應(yīng)最好在酸性溶液或堿性溶液中進(jìn)行。
與聚合的硅酸共存的金屬離子，是那些現(xiàn)在通常被用作絮凝劑的鋁和鐵離子。還可用如銅、鋅、錳和鈣等金屬離子，這些金屬的離子可在水中形成氫氧化物，在用硫酸和硝酸之類的酸溶解上述金屬后才能使用，當(dāng)要預(yù)先制備的用作絮凝劑的溶液中即有聚合硅酸又有金屬離子時(shí)，最好使酸性的金屬鹽與聚合后的硅酸在酸性溶液中混合，用堿性的金屬鹽與聚合后的硅酸在堿性溶液中混合。
用本發(fā)明的方法和絮凝劑可對(duì)水中的雜質(zhì)有很高的聚集效率，本發(fā)明采用的方法和絮凝劑是采用由低廉的水玻璃制成的聚合硅酸和具有能在水中形成氫氧化物的金屬離子的各種金屬來(lái)處理水，這種方法和絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)是在低溫水中，有極強(qiáng)的聚集能力;與常規(guī)的水處理方法相比，可節(jié)省相當(dāng)可觀的水處理費(fèi)用。
下面將通過(guò)對(duì)本發(fā)明最佳實(shí)施例的詳述，使本領(lǐng)域普通專業(yè)人員更加清楚和充分理解以上所述本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)最佳實(shí)施例的詳述在每一升待處理的水中加入約20～30毫克的上述聚合硅酸和金屬鹽溶液，進(jìn)行水處理。當(dāng)金屬是鋁時(shí)，使硅與金屬離子的摩爾比，即Si/M，大約為2.5到15，當(dāng)金屬不是鋁而是以下金屬時(shí)，Si/M的數(shù)值最好為鐵……Si/Fe 2.5～15鋅……Si/Zn 1～14銅……Si/Cu 2～18鎂……Si/Mg 2～10錳……Si/Mn 0.5～20鉛……Si/Pb 6～20鈷……Si/Co 4～10鈣……Si/Ca 0.5～22錫……Si/Sn 2～18可以在待處理水中分別加入聚合硅酸和金屬鹽溶液后，一起與水?dāng)嚢?，也可事先將它們混合好后，再加入待處理水中?br>當(dāng)處于常溫時(shí)，聚合硅酸將進(jìn)一步聚合而形成凝膠體。變成凝膠體的聚合硅酸不能再用作絮凝劑，因此一旦制出了聚合硅酸，就應(yīng)阻止它繼續(xù)進(jìn)行聚合，當(dāng)聚合硅酸溶液的pH值越接近中性時(shí)，聚合硅酸繼續(xù)聚合的過(guò)程就進(jìn)行得越快;當(dāng)溶液的酸性或堿性越強(qiáng)時(shí)，繼續(xù)聚合的過(guò)程進(jìn)行得越慢。因此，應(yīng)當(dāng)將聚合硅酸溶液的酸性或堿性保持在一個(gè)相當(dāng)高的水平上，例如，當(dāng)溶液的pH值保持不變時(shí)，在pH值為4的酸性溶液中，硅酸聚合凝膠體的時(shí)間大約是8小時(shí)，另一方面，在溶液中加入稀硫酸，使溶液的pH值變化到2，同樣的聚合硅酸即使在140小時(shí)后也保持穩(wěn)定，并呈現(xiàn)出良好的聚集性能。
當(dāng)溶液的PH值保持不變時(shí)，在PH值為9的堿性溶液中，聚合硅酸大約要用35分鐘形成凝膠體。如果向溶液加入4N的NaOH，使溶液的PH值變?yōu)?1，則形成凝膠體的時(shí)間將增大到約120小時(shí)，當(dāng)在距水處理現(xiàn)場(chǎng)不遠(yuǎn)的地方制備聚合硅酸時(shí)，無(wú)需特別小心地控制溶液的pH值，但若在較遠(yuǎn)處制備聚合硅酸，或含有聚合硅酸的絮凝劑需要運(yùn)輸和在水處理現(xiàn)場(chǎng)貯存時(shí)，最好將溶液的pH值要么保持在2以下，要么保持在11以上。
實(shí)施例1通過(guò)混合1公斤2.3%的稀硫酸與1公斤硅含量為3%(或二氧化硅含量為6.4%)的水玻璃溶液，可以制成2公斤pH值為4，硅含量為1.5%的硅酸溶液，上述水玻璃溶液可以通過(guò)用水稀釋在市場(chǎng)上可以買到的“第4類水玻璃”，然后攪拌制成，在室溫(27℃)下，緩慢攪拌就能使硅酸溶液聚合成聚合硅酸，從盛有聚合硅酸溶液的容器中按給定的時(shí)間間隔，或者特別限定從聚合開(kāi)始后2、4、6小時(shí)，分別取樣品1、樣品2和樣品3，根據(jù)JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))Z8803，測(cè)出每個(gè)樣品的特性粘度如下樣品1……0.21樣品2……0.36樣品3……0.67然后，在每一個(gè)樣品中加入20%的硫酸，以控制溶液的pH值為2.0。
在上述樣品中加入硫酸鋁〔Al2(SO4)3·18H2O〕作絮凝劑，通過(guò)攪拌實(shí)驗(yàn)(攪拌速度分別為快速、中速和慢速，快速為每2分鐘120轉(zhuǎn)，中速為每3分鐘60轉(zhuǎn)，慢速為每2分鐘30轉(zhuǎn))對(duì)待處理水(水溫2.5℃，混濁度219mg/l)進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，把絮凝劑加入待處理水中，使水中硫酸鋁的含量為60mg/l，然后改變每個(gè)樣品中硅與鋁的摩爾比作試驗(yàn)，表1中列出了從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始到出現(xiàn)絮凝物的時(shí)間和絮凝物的平均粒度，絮凝物的粒度是根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的照相相片確定的，表中的A、B和其它字母符號(hào)表示下列粒度范圍A……0.2mm和0.2mm以下B……0.2mm～0.3mmC……0.3mm～0.5mmD……0.5mm～1.0mmE……1.0mm～1.5mmF……1.5mm～2.0mmG……2.0mm～5.0mmH……5.0mm和5.0mm以上。
從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以清楚地看到，隨著能產(chǎn)生更有效聚合作用的聚合度的增加，酸性聚合硅酸溶液表現(xiàn)出很好的聚集能力，甚至當(dāng)它與共存的金屬離子的比例低時(shí)，也是如此。
實(shí)施例2通過(guò)將下面給出的不同金屬的鹽溶液加到酸性聚合硅酸溶液中制成樣品4、5和6，該酸性聚合硅酸溶液是用例1中使用的方法制成的。(在聚合反應(yīng)開(kāi)始后3小時(shí)取出此酸性溶液，特征粘度為0.27)，在與例1實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，將樣品加入到與例1相同的待處理水中(25℃)，做攪拌實(shí)驗(yàn)，水中金屬鹽的濃度是60mg/l。
樣品4……(硫酸銅)……Si/Cu(摩爾比)＝4.4樣品5……(氯化鋅)……Si/Zn(摩爾比)＝3.6樣品6……(氯化錳)……Si/Mn(摩爾比)＝7.1各樣品中絮狀物出現(xiàn)的時(shí)間和絮狀物的粒度列于表2中。
顯然，在有除鋁離子外的其它金屬離子存在時(shí)，酸性聚合硅酸溶液也表現(xiàn)出很強(qiáng)的聚集能力。
實(shí)施例3分別將硫酸銅、硝酸鐵、氯化鋅、氯化錳和氯化鎂加入到酸性聚合硅酸溶液中制成樣品7到樣品11，該酸性聚合硅酸溶液的制備方法與例1相同，(在聚合反應(yīng)開(kāi)始后4小時(shí)取出此酸性溶液)，將樣品7到樣品11及例1中的樣品2加入到水溫低至3℃的待處理水中(混濁度為220mg/l)作聚集實(shí)驗(yàn)，樣品的加入使水中金屬鹽的含量為80mg/l，樣品中硅與其它金屬的摩爾比如下樣品2……Si/Al摩爾比5.0樣品7……Si/Cu摩爾比4.4樣品8……Si/Fe摩爾比5.2樣品9……Si/Zn摩爾比2.4
樣品10……Si/Mn摩爾比7.1樣品11……Si/Mg摩爾比3.4各樣品出現(xiàn)絮凝物的時(shí)間和絮凝物的平均粒度如表3
可以看出，即使在低溫水中，當(dāng)有各種不同的金屬離子存在時(shí)，酸性聚合硅酸溶液也產(chǎn)生極好的聚集效果。
實(shí)施例4將市售的“第4類水玻璃”用水稀釋成硅濃度為1.5%(或二氧化硅濃度為3.2%)的水溶液，然后在500克上述水玻璃溶液中加入20%的硫酸，使pH值調(diào)到9，在室溫(25℃)下，用慢速攪拌使溶液發(fā)生聚合反應(yīng)，15分鐘后，用4N(N＝當(dāng)量濃度)的氫氧化鈉溶液將其pH值調(diào)到11，停止攪拌，靜置，于是就得到了特性粘度為1.25的堿性聚合硅酸溶液，向上述溶液中加入鋁酸鈉(Si/Al摩爾比為14.0)，這樣就得到樣品12，將樣品12倒入待處理水中，(水溫25℃，混濁度220mg/l)，在與例1實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，做攪拌實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)絮狀物的時(shí)間是5秒鐘，絮狀物的平均粒度是E。
這一實(shí)驗(yàn)證明，不僅酸性聚合硅酸溶液，如例1到例3中的聚合硅酸溶液，而且堿性聚合硅酸溶液也能進(jìn)行充分聚集。
實(shí)施例5取少量的例4中的堿性聚合硅酸溶液作為樣品13、14和15，將樣品13到樣品15分別對(duì)應(yīng)地與硫酸銅、氯化鋅和氯化錳一起加入溫度低的待處理水中，(15℃，混濁度220mg/l)，(將每一個(gè)樣品與對(duì)應(yīng)的溶液分別加入水中，使它們與例2有相同的摩爾比和相同的金屬鹽含量)，然后作絮凝實(shí)驗(yàn)，各樣品絮狀物出現(xiàn)的時(shí)間和絮狀物的平均粒度見(jiàn)表4。
顯然，當(dāng)有不同的金屬離子存在時(shí)，堿性聚合硅酸溶液在低溫水中也能進(jìn)行充分的聚集。
對(duì)比實(shí)驗(yàn)1樣品16取自pH值為4、硅濃度為1.5%的酸性硅酸溶液，此溶液可用與例1中相同的市場(chǎng)上可買得到的“第4類水玻璃”制備，制備時(shí)沒(méi)有使溶液產(chǎn)生聚合反應(yīng)，該溶液的特性粘度是0.104。
向樣品16中分別加入不等量的硫酸鋁，使這些溶液中Si/Al摩爾比分別為0.6、1.2、4.8、7.1和8.3。在與例1相同的試驗(yàn)條件下向與例1所采用的相同的待處理水(溫度25℃，混濁度220mg/l)，加入等量的上述各溶液，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。
從上表中可明顯地看出，沒(méi)有充分聚合的硅酸，即使是在有金屬離子存在的情況下，也不能產(chǎn)生令人滿意的聚集效果。尤其當(dāng)共存的金屬離子的量減少到某一程度時(shí)，這種沒(méi)有充分聚合的硅酸完全喪失了聚集能力。
對(duì)比實(shí)驗(yàn)2一種活化二氧化硅(Activated silica)的稀釋溶液，硅的濃度是0.7%(或二氧化硅濃度為1.5%)，可以通過(guò)象常規(guī)方法那樣用水稀釋市售的“第3類水玻璃”制備，向溶液中加入20%的硫酸，調(diào)節(jié)溶液的pH值到8.5，在室溫下緩慢攪拌2小時(shí)后就能得到特性粘度為0.12的活化二氧化硅酸溶液，稀釋上述溶液使其二氧化硅濃度降到0.5%，就制出了樣品17，在低溫待處理水中(溫度14.7℃，混濁度100mg/l)，加入樣品17和硫酸鋁，使水中硫酸鋁的濃度為20mg/l。聚集實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。
實(shí)驗(yàn)表明，常規(guī)方法中所用的未充分聚合的活化二氧化硅，即使是在有金屬離子存在的情況下，也不能產(chǎn)生令人滿意的聚集效果。
通過(guò)以上敘述可知，即使在說(shuō)明書(shū)中已相當(dāng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，然而熟悉本領(lǐng)域知識(shí)的普通專業(yè)人員也可以根據(jù)本發(fā)明作出一些改進(jìn)、變動(dòng)和調(diào)整，因此本發(fā)明將包括所有那些在后附的權(quán)利要求
范圍內(nèi)的改進(jìn)、變動(dòng)和調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種水處理方法，其特征在于，包括以下步驟向待處理的水中加入聚合硅酸和可溶于水的、并能在水中生成金屬氫氧化物的金屬鹽，所述聚合硅酸的特性粘度不小于單一硅酸特性粘度的約兩倍；攪拌上述混合液，由此使水中的雜質(zhì)聚集并沉降。
2.如權(quán)利要求
1所述的水處理方法，其特征在于，所述聚合硅酸的特性粘度不小于單一硅酸特征粘度的約兩倍，所述金屬的選擇范圍是鋁、鐵、鋅、銅、鎂、錳、鉛、鈷、鈣和錫。
3.如權(quán)利要求
1所述的水處理方法，其特征在于，當(dāng)所述金屬是鋁時(shí)，硅與加到待處理水中鋁的摩爾比在2.5～15范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求
1所述的水處理方法，其特征在于，當(dāng)所述金屬是鐵時(shí)，硅與加到待處理水中的鐵的摩爾比在2.5～15范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求
1所述的水處理方法，其特征在于，當(dāng)所述金屬是鋅時(shí)，硅與加到待處理水中的鋅的摩爾比在1～14范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求
1所述的水處理方法，其特征在于，當(dāng)所述金屬是銅時(shí)，硅與加到待處理水中銅的摩爾比在2～18范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求
1所述的水處理方法，其特征在于，當(dāng)所述金屬是鎂時(shí)，硅與加到待處理水中鎂的摩爾比在2～10范圍內(nèi)。
8.一種水處理絮凝劑，其特征在于，這種絮凝劑是含有聚合硅酸和可溶于水的金屬鹽的水溶液，所述聚合硅酸的特性粘度不小于單一硅酸特性粘度的約兩倍，所述金屬鹽中的金屬是能在水中生成氫氧化物的金屬，所述絮凝劑水溶液的pH值不大于2或小于11。
9.如權(quán)利要求
8中所述的水處理絮凝劑，其特征在于，這種絮凝劑是一種水溶液，所述聚合硅酸的特性粘度不小于單一硅酸特性粘度的約兩倍，所述金屬的選擇范圍是鋁、鐵、銅、鎂、錳、鉛、鈷、鈣和錫。
10.如權(quán)利要求
9所述的水處理絮凝劑，其特征在于，這種絮凝劑是一種水溶液，所述聚合硅酸是通過(guò)聚合水玻璃制備的。
專利摘要
一種水處理方法和絮凝劑，向待處理水中加入高聚合的硅酸和象鋁這類可溶于水并能在水中生成氫氧化物的金屬的金屬鹽，可通過(guò)聚合水玻璃制備高聚合的硅酸、在投入水中之前，若由高聚合的硅酸和可溶于水的金屬鹽組成的絮凝劑是水溶液，則應(yīng)將絮凝劑的pH值控制在小于2或高于11的范圍，本處理方法十分有效，特別適用于處理低溫水，它能以低廉的成本取得好的聚集效果。
文檔編號(hào)C02F1/52GK87101246SQ87101246
公開(kāi)日1988年9月21日 申請(qǐng)日期1987年11月20日
發(fā)明者長(zhǎng)谷川 , 孝雄, 鬼塚卓也, 鈴木, 尾崎忠正, 江原康浩, 橋本克纮 申請(qǐng)人:水道機(jī)工株式會(huì)社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan