三氯化鐵在廢水中絮凝作用
隨著社會的不斷進步，人們的環境保護意識不斷增加，國家對環境治理的要求也不斷提高，環境治理資金的投入也逐年遞增，畢竟只有對環境進行有效的治理，才能更好造福子孫后代。眾所周知，人們的生產、生活與水密切相關，所以對水的處理顯得尤為重要。在對廢水處理過程中，其基本方法有物理方法、化學方法和生物方法，其中物理方法中的絮凝沉淀就是一種很常用的手段。
鐵鹽是工業上常用的水處理絮凝劑。向污水中投加鐵鹽后，Fe3+會和水中的氫氧根離子結合，生成微溶于水的氫氧化鐵膠體，而形成的氫氧化鐵膠體可以對污水中的懸浮固體顆粒進行吸附。同時形成的氫氧化鐵膠體具有良好的絮凝效果，能形成大的絮體沉淀，從而達到廢水處理的效果。
本文對三氯化鐵絮凝劑，分別從反應pH值、三氯化鐵投加量、攪拌時間、靜置沉淀時間等方面進行試驗，對廢水中磷、銅、鎳的去除效果進行驗證，對廢水處理具有較好的研究價值和意義。
1、材料與方法
1.1 試劑和儀器
無水三氯化鐵、磷酸二氫鉀、硝酸銅、硝酸鎳、抗壞血酸、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、鹽酸、硫酸、氫氧化鈉：分析純。90-3型雙向定時恒溫磁力攪拌器，TU-1810D紫外可見分光光度計；TAS-990SuperF原子吸收分光光度計；HQ30d便攜式pH計。
1.2 分析方法
pH值采用哈希便攜式pH計測定；正磷酸鹽采用GB11893-1989《水質正磷酸的測定鉬酸銨分光光度法》測定；銅采用GB7475-1987《水質銅、鋅、鉛、鉻的測定原子吸收分光光度法》測定；鎳采用GB11912-1989《水質鎳的測定火焰原子吸收分光光度法》測定。
1.3 試驗水樣
含磷模擬水樣：pH值=5，PO43-—P濃度為50mg/L；
含銅模擬水樣：pH值=4，Cu2+濃度為40mg/L；
含鎳模擬水樣：pH值=4，Ni2+濃度為40mg/L；
實際環境水樣：某化工園區污水廠調節池廢水，pH值=5.1，COD=1.03×103mg/L，磷酸鹽=45.3mg/L，Cu2+=36.6mg/L，Ni2+=38.7mg/L。
1.4 實驗方法
1.4.1 pH值驗證
分別于8個燒杯中加入500mL含磷模擬水樣，調節初始pH值分別為3、4、5、6、7、8、9、10，投加過量三氯化鐵，攪拌30分鐘，靜置沉淀1h后，取上清液檢測PO43-—P含量，確定最佳反應pH值范圍。
分別于8個燒杯中加入500mL含銅模擬水樣，調節初始pH值分別為4、5、6、7、8、9、10、11，投加過量三氯化鐵，攪拌30分鐘，靜置沉淀1h后，取上清液檢測Cu2+含量，確定最佳反應pH值范圍。
分別于8個燒杯中加入500mL含鎳模擬水樣，調節初始pH值分別為4、5、6、7、8、9、10、11，投加過量三氯化鐵，攪拌30分鐘，靜置沉淀1h后，取上清液檢測Ni2+含量，確定最佳反應pH值范圍。
1.4.2 三氯化鐵投加量驗證
分別于8個燒杯中加入500mL含磷模擬水樣，調節初始pH值控制在最佳范圍，投加三氯化鐵量分別是反應理論值的1.0倍、1.5倍、2.0倍、2.5倍、3.0倍、3.5倍、4.0倍、4.5倍，攪拌30分鐘，靜置沉淀1h后，取上清液檢測PO43-—P含量，確定三氯化鐵最優投加量。
分別于8個燒杯中加入500mL含銅模擬水樣，調節pH值控制在最佳范圍，投加三氯化鐵量分別是0mg/L、10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L、60mg/L、70mg/L，攪拌30分鐘，靜置沉淀1h后，取上清液檢測Cu2+含量，確定三氯化鐵最優投加量。
分別于8個燒杯中加入500mL含鎳模擬水樣，調節pH值控制在最佳范圍，投加三氯化鐵量分別是0mg/L、10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L、60mg/L、70mg/L，攪拌30分鐘，靜置沉淀1h后，取上清液檢測Ni2+含量，確定三氯化鐵最優投加量。
1.4.3 攪拌時間實驗
分別于8個燒杯中加入500mL含磷模擬水樣，調節初始pH值控制在最佳范圍，投加最優量的三氯化鐵，分別攪拌5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min，靜置沉淀1h后，取上清液檢測PO43-—P含量，確定最佳攪拌時間。
分別于8個燒杯中加入500mL含銅模擬水樣，調節pH值控制在最佳范圍，投加最優量的三氯化鐵，分別攪拌5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min，靜置沉淀1h后，取上清液檢測Cu2+含量，確定最佳攪拌時間。
分別于8個燒杯中加入500mL含鎳模擬水樣，調節pH值控制在最佳范圍，投加最優量的三氯化鐵，分別攪拌5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min，靜置沉淀1h后，取上清液檢測Ni2+含量，確定最佳攪拌時間。
1.4.4 靜置沉淀實驗
分別于8個燒杯中加入500mL含磷模擬水樣，調節初始pH值控制在最佳范圍，投加最優量的三氯化鐵，攪拌最佳時間后，分別靜置沉淀5min、10min、20min、30min、40min、50min、60min、80min，取上清液檢測PO43-—P含量，確定最佳沉淀時間。
分別于8個燒杯中加入500mL含銅模擬水樣，調節pH值控制在最佳范圍，投加最優量的三氯化鐵，攪拌最佳時間后，分別靜置沉淀5min、10min、20min、30min、40min、50min、60min、80min，取上清液檢測Cu2+含量，確定最佳沉淀時間。
分別于8個燒杯中加入500mL含鎳模擬水樣，調節pH值控制在最佳范圍，投加最優量的三氯化鐵，攪拌最佳時間后，分別靜置沉淀5min、10min、20min、30min、40min、50min、60min、80min，取上清液檢測Ni2+含量，確定最佳沉淀時間。
2、實驗結果與分析
2.1 最佳pH值的確定
每種混凝劑都有不同的pH適宜范圍。即使使用同一種絮凝劑，在不同的反應pH值下，其絮凝的效果也是各不相同。
2.1.1 含磷模擬水
在除磷過程中，三氯化鐵中Fe3+除了可以跟磷酸鹽生成磷酸鐵和磷酸亞鐵沉淀以外，還可以發生強烈水解，并在水解的同時發生各種聚合反應，生成具有較長線性結構的多核羥基絡合物，如Fe2(OH)24+、Fe5(OH)87+、Fe7(OH)129+、Fe9(OH)207+、Fe12(OH)342+等。在不同的pH值下，磷酸鹽在水中存在的形式也會隨之變化。通過調節不同pH值，篩選出反應最佳條件，具體見圖1。由圖1可知，在投加過量三氯化鐵后，隨著pH值不斷增加，磷的去除效果也逐漸遞增；當pH值在5~6的條件下，磷的去除效果要最佳；隨后隨著pH值增加，磷的去除效果逐漸降低。
2.1.2 含銅模擬水
通過調節不同pH值，篩選出銅的去除效果的最佳值，具體見圖2。由圖2可知，對于含銅模擬水，其去除效果隨著pH值的升高而不斷增大。當pH值大于10時，對銅的去除率達到最大，絮凝效果最好。隨后隨著pH值逐漸升高時，對銅的去除率變化不大。
2.1.3 含鎳模擬
通過調節不同pH值，篩選鎳的去除效果的最佳值，具體見圖3。由圖3可知，對于含鎳模擬水，其去除效果與含銅模擬水接近，均是隨著pH值升高而增大。當pH值大于10時，對鎳的去除率達到最大，絮凝效果最好。隨后隨著pH值逐漸升高時，對銅的去除率變化不大。
2.2 最佳三氯化鐵投加量的確定
2.2.1 含磷模擬水
根據優選后的pH值，進行三氯化鐵投加量實驗。調節含磷模擬水的pH值為5~6，投加不同比例的三氯化鐵，水中磷的去除效果見圖4所示。從圖4可見，磷酸鹽的去除效果隨著投加量的增加而增加，當CFe/CP的比值在3.0的時候達到最大；繼續增加三氯化鐵的投加量，磷的去除效果反而有所下降。
2.2.2 含銅模擬水
根據優選后的pH值，進行三氯化鐵投加量實驗。調節含銅模擬水pH值為10，投加不同量的三氯化鐵，水中銅去除結果見圖5所示。從圖5可見，銅的去除效果隨著投加量的增加而增加，當三氯化鐵的投加量為40mg/L的時候，銅的去除率高達97%，后面繼續增加三氯化鐵的投加量，銅的去除效果變化不大。結合經濟效果考慮，選擇含銅模擬水試驗中三氯化鐵的最佳投加量為40mg/L。
2.2.3 含鎳模擬水
含鎳模擬水進行三氯化鐵投加量優選試驗中，鎳的去除效果情況與含銅模擬水比較相似，具體去除效果見圖6。綜合去除效果及經濟效益等因素，選擇含鎳模擬水試驗中三氯化鐵的最佳投加量為40mg/L。
2.3 最佳攪拌時間的確定
2.3.1 含磷模擬水
調節含磷模擬水pH值為5~6，投加比例量為3的三氯化鐵，攪拌不同時間后水中磷去除結果見圖7所示。由圖7可知，去除效果隨攪拌時間增加而增加，當攪拌20min后處理效果最好。繼續增加攪拌時間，去除效果降低，是由于長時間攪拌破壞了絮體造成。
2.3.2 含銅模擬水
調節含銅模擬水pH值為10，投加40mg/L的三氯化鐵，攪拌不同時間后水中銅去除效果見圖8所示。由圖8可知，去除效果隨攪拌時間增加而增加，當攪拌10min后處理效果最好。
2.3.3 含鎳模擬水
含鎳模擬水進行攪拌時間優選試驗，鎳的去除效果情況與含銅模擬水效果比較相近，具體去除效果見圖8。從圖8可以看出，同樣在攪拌10min后鎳的去除效果最好。
2.4 最佳靜置沉淀時間的確定
2.4.1 含磷模擬水
調節含磷模擬水pH值為5~6，投加比例量為3的三氯化鐵，攪拌20min后，觀察不同靜置沉淀時間的磷去除效果，具體見圖9。從圖9可以看出，隨著靜置時間的不斷增長，磷的去除效果也逐漸增高。但當靜置沉淀時間超過60min后，磷的去除效果變化不明顯。綜合磷的去除效果、運行成本、項目投資等因素考慮，選擇最佳靜置沉淀時間為60min。
2.4.2 含銅模擬水
調節含銅模擬水pH值為10，投加40mg/L的三氯化鐵，攪拌10min后，觀察不同置沉淀時間的銅去除效果，具體見圖10。從圖10可以看出，隨著靜置沉淀時間的不斷增長，銅的去除效果也逐漸增高。當靜置沉淀時間超過60min后，其去除效果無變化。
2.4.3 含鎳模擬水
調節含銅模擬水pH值為10，投加40mg/L的三氯化鐵，攪拌10min后，觀察不同置沉淀時間的銅去除效果，具體見圖11。從圖11可以看出，含鎳模擬水中鎳的去除效果規律與含銅模擬水相似，在靜置沉淀時間為60min時達到最大，后面隨時間增加，去除效果無變化。
2.5 實際廢水的絮凝沉淀實驗
采用優化的條件對實際環境水樣進行三氯化鐵絮凝實驗，結果如表1。從表1中可以看出，在實驗條件下，三氯化鐵絮凝劑對廢水中的磷酸鹽、銅和鎳的去除率分別為98.1%、98.4%和98.3%。
3、小結
(1)采用三氯化鐵來絮凝沉淀含磷模擬廢水時，當pH值為5~6，投加量為理論值3倍，攪拌時間20min，靜置沉淀1h后能達到最好的處理效果；
(2)采用三氯化鐵來絮凝沉淀含銅模擬廢水時，當pH值為10，投加量為40mg/L，攪拌時間10min，靜置沉淀1h后能達到最好的處理效果；
(3)采用三氯化鐵來絮凝沉淀含重金屬模擬廢水時，當pH值為10，投加量為40mg/L，攪拌時間10min，靜置沉淀1h后能達到最好的處理效果。
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