一种聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合絮凝剂及其制备方法，尤其是一种聚硅硫酸铁基无机- 有机复合絮凝剂及其制备方法。

背景技术

混凝沉降法是目前国内外水处理工业、水污染治理、海水淡化及节水回用 净化处理工程技术领域中普遍用来提高水质处理效率的一种既经济又简便的水 处理方法。水处理技术创新发展、工艺流程简化、运行费用降低以及水质净化 质量提高在很大程度上取决于絮凝剂的性能。因此，新型、高效水处理药剂与 材料始终是水处理环保产业技术领域中重点发展的支柱产业，也是水工业与水 污染治理工程技术与设备创新发展的基础产业。

目前，絮凝剂的种类主要有无机混凝剂、有机混凝剂、微生物混凝剂以及 近几年来发展起来的复合混凝剂。无机混凝剂包括传统的铁盐、铝盐、无机高 分子混凝剂。有机混凝剂主要有天然和人工合成两种，其中天然有机混凝剂主 要有淀粉、半乳甘露聚糖、纤维素衍生物、微生物多糖及动物骨胶五大类，而 人工合成混凝剂有阳离子型、阴离子型和非离子型。

无机高分子混凝剂是当前水处理使用量大而面广的专用化学药剂。由于它 比传统药剂具有净水效果好、投资少、絮体沉降性能好、产生的污泥量少、适 用性广等优点，因此在国外水处理领域得到广泛的应用和迅速的发展。尽管无 机铁盐混凝剂具有一系列的优点，但是在形态、聚合度及相应的凝聚-混凝效果 方面，无机铁盐混凝剂仍处于传统金属盐混凝剂与有机混凝剂之间的位置，它 的分子量和粒度大小以及混凝架桥能力仍比有机混凝剂差很多，而且由于进一 步水解反应导致无机铁盐混凝剂在水处理系统不稳定。与无机混凝剂相比，有 机混凝剂用量少，混凝速度快，受共存盐类、介质及环境稳定影响小，处理过 程短，生成的污泥量少，在国内外广泛用于石油、印染、食品、化工、造纸等 废水的处理中。但其价格昂贵，且大多数混凝剂本身或其水解、降解产物有毒， 应用受到一定限制。这些问题促使研究和开发各种复合型高分子混凝剂。

新型的无机有机复合混凝剂具有传统混凝剂无法比拟的净水效果，同时具 有药剂投药量低、应用范围广、使用方便、经济等优点。无机有机复合混凝剂 的研制和开发必将给水工业、水污染治理与节水净化带来巨大的变化，将为我 国开创一个高效、低耗、低投入的水处理局面。但是目前我国制备的复合无机 混凝剂种类繁多，质量参差不齐，这些产品的效能并没有明显的提高，反而混 入若干有害物质，这对我国混凝剂工业的现代化和规模化十分不利，而且无机 有机复合混凝剂的无机-有机组分相互作用及混凝机理少有研究，这将限制无机 有机复合进一步的发展以及实际应用，因此开展复合型高分子混凝剂全面系统 的研究是十分必要的。

由于无机-有机组分相互作用，复合型高分子混凝剂的形态分布、荷电情况、 水解形态等特性与无机、有机混凝剂相比均发生了变化。由于混凝剂在水处理 中主要是通过吸附电中和作用和吸附架桥作用起作用，其净水效果与其形态分 布、荷电情况和聚集体大小密切相关。目前我国无机有机复合混凝剂主要为铝 盐类复合混凝剂。尽管聚合铝盐混凝剂有较好的水处理效果，但它在环境中有 一定的生物毒性，并且与老年痴呆症的发生有一定的相关性。而铁盐混凝剂安 全无生物毒性，并且与铝盐混凝剂相比，其具有形成的矾花大，混凝反应快， 用量少，沉降快，污泥脱水性好等优点。因而近年来铁盐复合混凝剂成为国内 外水处理领域内无机高分子混凝剂研究开发的热点。

在铁盐体系中引入阳离子或阴离子聚合物，对铁盐混凝剂进行复合改性， 是当今改性铁盐混凝剂的重要方法。特别是阳离子聚合物的加入，可以提高铁 盐混凝剂的表面电荷，加强其电中和作用，提高其混凝能力，因此将铁盐与阳 离子有机聚合物复合制备新型无机有机复合絮凝剂是可行且必要的。

目前对铝盐、铁盐无机絮凝剂引入有机阳离子高分子絮凝剂已有大量报道， 但对将聚硅硫酸铁引入二甲基二烯丙基均聚物的研究信息还甚少。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种由聚硅硫酸铁 和二甲基二烯丙基均聚物复合而成的新型无机-有机复合絮凝剂。同时，本发明 还提供一种操作简单、便于推广的上述所述新型无机-有机复合絮凝剂的制备方 法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种聚硅硫酸铁基无机-有机 复合絮凝剂，所述絮凝剂由聚硅硫酸铁和二甲基二烯丙基均聚物复合而成。

本发明采用聚硅硫酸铁和二甲基二烯丙基均聚物复合而成，得到一种新型 无机-有机复合絮凝剂，用于水处理行业时，能够提高絮凝沉降性能。本发明的 聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂为淡黄色至红褐色液体，易溶于水，不溶于 乙醇、甲醇、丙酮等有机溶剂。

作为本发明所述聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的优选实施方式，所述 聚硅硫酸铁与二甲基二烯丙基均聚物的质量比为3～14％。作为本发明所述聚硅 硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的更优选实施方式，所述聚硅硫酸铁与二甲基二 烯丙基均聚物的质量比为5～10％。

作为本发明所述聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的优选实施方式，所述 二甲基二烯丙基均聚物为聚二甲基二烯丙基氯化铵、聚二甲基二烯丙基丙烯酸 中的至少一种。

另外，本发明还提供一种操作简单、易于推广的上述所述聚硅硫酸铁基无 机-有机复合絮凝剂的制备方法，为实现此目的，本发明采取的技术方案为：一 种如上所述聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚硅硫酸铁溶液与二甲基二烯丙基均聚物混合，搅拌均匀，得混合 溶液；

(2)在步骤(1)的混合溶液中加入保护剂，然后于20～50℃下反应1～4 小时，即得聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂。

作为本发明所述聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的制备方法的优选实施 方式，所述步骤(2)中的保护剂为亚硫酸钠、抗坏血酸、抗坏血酸钠、盐酸羟 胺中的至少一种。作为本发明所述聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的制备方 法的优选实施方式，所述保护剂与所述二甲基二烯丙基均聚物的摩尔比为0.02～ 0.05。

作为本发明所述聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的制备方法的优选实施 方式，所述步骤(1)中的聚硅硫酸铁溶液采用如下方法制备而成：

(a)将硅酸盐和硫酸亚铁混合后加入反应容器，加入适量水溶解，调节pH 值为1～3；

(b)搅拌下加入氧化剂持续缓慢氧化，直至硫酸亚铁氧化完毕；

(c)加入稳定剂，于40～60℃下活化1～4小时，即得聚硅硫酸铁溶液。

作为本发明所述聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的制备方法的优选实施 方式，所述步骤(a)中硅酸盐为硅酸铝、硅酸钙、硅酸镁、硅酸钾、硅酸钠中 的至少一种；所述硅酸盐与所述硫酸亚铁的摩尔比为0.2～1.2。

作为本发明所述聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的制备方法的优选实施 方式，所述步骤(b)中的氧化剂为双氧水、高铁酸钾、过氧化钠、过氧化钾、 过氧乙酸中的至少一种；所述硫酸亚铁与所述氧化剂的摩尔比为1～1.4。

作为本发明所述聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的制备方法的优选实施 方式，所述步骤(c)中的稳定剂为磷酸氢二钠、磷酸二氢钠中的至少一种。作 为本发明所述聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的制备方法的优选实施方式， 所述稳定剂与所述硫酸亚铁的摩尔比为0.02～0.05。

本发明的聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂，质量稳定，将其用于水处理 行业，能够有效提高絮凝沉降性能。本发明所述聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮 凝剂的制备方法，操作简单，易于推广。

附图说明

图1为采用本发明絮凝剂处理之后的生活污水效果图。

图2为采用本发明絮凝剂处理之前的生物污水效果图。

具体实施方式

为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体附图和具 体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的一种实施例，本实施例所述絮 凝剂采用以下方法制备而成：

(1)将硅酸钠和七水硫酸亚铁混合后加入反应容器，加入适量水溶解，调 节pH值为1～3；其中硅酸钠和七水硫酸亚铁的摩尔比为0.2；

(2)搅拌下加入氧化剂双氧水持续缓慢氧化，直至七水硫酸亚铁氧化完毕； 其中七水硫酸亚铁与双氧水的摩尔比为1；

(3)加入稳定剂磷酸氢二钠，于40℃下活化1小时，得聚硅硫酸铁溶液； 其中稳定剂与硫酸亚铁的摩尔比为0.02；

(4)将步骤(3)所得聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基氯化铵混合， 搅拌均匀，得混合溶液；其中聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基氯化铵的质 量比为3.3％；

(5)在步骤(4)的混合溶液中加入保护剂亚硫酸氢钠，然后于20℃下反 应1小时，即得聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂；其中保护剂与聚二甲基二 烯丙基氯化铵的摩尔比为0.02。

实施例2

本发明聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的一种实施例，本实施例所述絮 凝剂采用以下方法制备而成：

(1)将硅酸铝和七水硫酸亚铁混合后加入反应容器，加入适量水溶解，调 节pH值为1～3；其中硅酸铝和七水硫酸亚铁的摩尔比为0.7；

(2)搅拌下加入氧化剂高铁酸钾持续缓慢氧化，直至七水硫酸亚铁氧化完 毕；其中七水硫酸亚铁与高铁酸钾的摩尔比为1.1；

(3)加入稳定剂磷酸二氢钠，于40℃下活化2小时，得聚硅硫酸铁溶液； 其中稳定剂与硫酸亚铁的摩尔比为0.03；

(4)将步骤(3)所得聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基丙烯酸混合， 搅拌均匀，得混合溶液；其中聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基丙烯酸的质 量比为5％；

(5)在步骤(4)的混合溶液中加入保护剂抗坏血酸，然后于30℃下反应 2小时，即得聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂；其中保护剂与聚二甲基二烯 丙基丙烯酸的摩尔比为0.03。

实施例3

本发明聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的一种实施例，本实施例所述絮 凝剂采用以下方法制备而成：

(1)将硅酸钙和七水硫酸亚铁混合后加入反应容器，加入适量水溶解，调 节pH值为1～3；其中硅酸钙和七水硫酸亚铁的摩尔比为0.6；

(2)搅拌下加入氧化剂过氧化钠持续缓慢氧化，直至七水硫酸亚铁氧化完 毕；其中七水硫酸亚铁与过氧化钠的摩尔比为1.2；

(3)加入稳定剂磷酸二氢钠，于40℃下活化3小时，得聚硅硫酸铁溶液； 其中稳定剂与硫酸亚铁的摩尔比为0.04；

(4)将步骤(3)所得聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基丙烯酸混合， 搅拌均匀，得混合溶液；其中聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基丙烯酸的质 量比为6.7％；

(5)在步骤(4)的混合溶液中加入保护剂抗坏血酸钠，然后于40℃下反 应3小时，即得聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂；其中保护剂与聚二甲基二 烯丙基丙烯酸的摩尔比为0.04。

实施例4

本发明聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的一种实施例，本实施例所述絮 凝剂采用以下方法制备而成：

(1)将硅酸镁和七水硫酸亚铁混合后加入反应容器，加入适量水溶解，调 节pH值为1～3；其中硅酸镁和七水硫酸亚铁的摩尔比为1.2；

(2)搅拌下加入氧化剂过氧化钾持续缓慢氧化，直至七水硫酸亚铁氧化完 毕；其中七水硫酸亚铁与过氧化钾的摩尔比为1.3；

(3)加入稳定剂磷酸氢二钠，于40℃下活化4小时，得聚硅硫酸铁溶液； 其中稳定剂与硫酸亚铁的摩尔比为0.05；

(4)将步骤(3)所得聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基氯化铵混合， 搅拌均匀，得混合溶液；其中聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基氯化铵的质 量比为9％；

(5)在步骤(4)的混合溶液中加入保护剂盐酸羟胺，然后于50℃下反应 4小时，即得聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂；其中保护剂与聚二甲基二烯 丙基氯化铵的摩尔比为0.05。

实施例5

本发明聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的一种实施例，本实施例所述絮 凝剂采用以下方法制备而成：

(1)将硅酸钾和七水硫酸亚铁混合后加入反应容器，加入适量水溶解，调 节pH值为1～3；其中硅酸钾和七水硫酸亚铁的摩尔比为1；

(2)搅拌下加入氧化剂过氧乙酸和双氧水的混合物(其中过氧乙酸和双氧 水的摩尔比为1:1)持续缓慢氧化，直至七水硫酸亚铁氧化完毕；其中七水硫酸 亚铁与氧化剂的摩尔比为1.4；

(3)加入稳定剂磷酸氢二钠，于50℃下活化1小时，得聚硅硫酸铁溶液； 其中稳定剂与硫酸亚铁的摩尔比为0.02；

(4)将步骤(3)所得聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基氯化铵混合， 搅拌均匀，得混合溶液；其中聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基氯化铵的质 量比为12％；

(5)在步骤(4)的混合溶液中加入保护剂亚硫酸氢钠，然后于20℃下反 应1小时，即得聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂，其中保护剂与聚二甲基二 烯丙基氯化铵的摩尔比为0.05。

实施例6

本发明聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的一种实施例，本实施例所述絮 凝剂采用以下方法制备而成：

(1)将硅酸盐(硅酸铝和硅酸镁的混合物，其中硅酸铝和硅酸镁的摩尔比 为2:1)和七水硫酸亚铁混合后加入反应容器，加入适量水溶解，调节pH值为 1～3；其中硅酸盐和七水硫酸亚铁的摩尔比为0.4；

(2)搅拌下加入氧化剂过氧乙酸持续缓慢氧化，直至七水硫酸亚铁氧化完 毕；其中七水硫酸亚铁与氧化剂的摩尔比为1；

(3)加入稳定剂磷酸二氢钠，于50℃下活化2小时，得聚硅硫酸铁溶液； 其中稳定剂与硫酸亚铁的摩尔比为0.03；

(4)将步骤(3)所得聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基氯化铵混合， 搅拌均匀，得混合溶液；其中聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基氯化铵的质 量比为3％；

(5)在步骤(4)的混合溶液中加入保护剂抗坏血酸，然后于30℃下反应 2小时，即得聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂；其中保护剂与聚二甲基二烯 丙基氯化铵的摩尔比为0.04。

实施例7

本发明聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的一种实施例，本实施例所述絮 凝剂采用以下方法制备而成：

(1)将硅酸盐(硅酸钙和硅酸钾的混合物，其中硅酸钙和硅酸钾的摩尔比 为1:1)和七水硫酸亚铁混合后加入反应容器，加入适量水溶解，调节pH值为 1～3；其中硅酸盐和七水硫酸亚铁的摩尔比为0.2；

(2)搅拌下加入氧化剂过氧化钠和过氧化钾的混合物(其中过氧化钠和过 氧化钾的摩尔比为1:2)持续缓慢氧化，直至七水硫酸亚铁氧化完毕；其中七水 硫酸亚铁与氧化剂的摩尔比为1.1；

(3)加入稳定剂磷酸氢二钠，于50℃下活化3小时，得聚硅硫酸铁溶液； 其中稳定剂与硫酸亚铁的摩尔比为0.04；

(4)将步骤(3)所得聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基丙烯酸混合， 搅拌均匀，得混合溶液；其中聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基丙烯酸的质 量比为5％；

(5)在步骤(4)的混合溶液中加入保护剂抗坏血酸钠，然后于40℃下反 应3小时，即得聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂；其中保护剂与聚二甲基二 烯丙基丙烯酸的摩尔比为0.03。

实施例8

本发明聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的一种实施例，本实施例所述絮 凝剂采用以下方法制备而成：

(1)将硅酸钠和七水硫酸亚铁混合后加入反应容器，加入适量水溶解，调 节pH值为1～3；其中硅酸钠和七水硫酸亚铁的摩尔比为0.4；

(2)搅拌下加入氧化剂高铁酸钾持续缓慢氧化，直至七水硫酸亚铁氧化完 毕；其中七水硫酸亚铁与氧化剂的摩尔比为1.2；

(3)加入稳定剂磷酸氢二钠，于50℃下活化4小时，得聚硅硫酸铁溶液； 其中稳定剂与硫酸亚铁的摩尔比为0.05；

(4)将步骤(3)所得聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基丙烯酸混合， 搅拌均匀，得混合溶液；其中聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基丙烯酸的质 量比为10％；

(5)在步骤(4)的混合溶液中加入保护剂抗坏血酸，然后于50℃下反应 4小时，即得聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂；其中保护剂与聚二甲基二烯 丙基丙烯酸的摩尔比为0.02。

实施例9

本发明聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的一种实施例，本实施例所述絮 凝剂采用以下方法制备而成：

(1)将硅酸盐(硅酸钠和硅酸钾的混合物，其中硅酸钠和硅酸钾的摩尔比 为1:3)和七水硫酸亚铁混合后加入反应容器，加入适量水溶解，调节pH值为 1～3；其中硅酸盐和七水硫酸亚铁的摩尔比为0.6；

(2)搅拌下加入氧化剂双氧水持续缓慢氧化，直至七水硫酸亚铁氧化完毕； 其中七水硫酸亚铁与氧化剂的摩尔比为1.3；

(3)加入稳定剂磷酸二氢钠，于60℃下活化1小时，得聚硅硫酸铁溶液； 其中稳定剂与硫酸亚铁的摩尔比为0.04；

(4)将步骤(3)所得聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基氯化铵混合， 搅拌均匀，得混合溶液；其中聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基氯化铵的质 量比为14％；

(5)在步骤(4)的混合溶液中加入保护剂盐酸羟胺，然后于20℃下反应 4小时，即得聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂；其中保护剂与聚二甲基二烯 丙基氯化铵的摩尔比为0.03。

实施例10

本发明聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的一种实施例，本实施例所述絮 凝剂采用以下方法制备而成：

(1)将硅酸镁和七水硫酸亚铁混合后加入反应容器，加入适量水溶解，调 节pH值为1～3；其中硅酸镁和七水硫酸亚铁的摩尔比为0.8；

(2)搅拌下加入氧化剂双氧水持续缓慢氧化，直至七水硫酸亚铁氧化完毕； 其中七水硫酸亚铁与氧化剂的摩尔比为1.4；

(3)加入稳定剂磷酸二氢钠，于60℃下活化4小时，得聚硅硫酸铁溶液； 其中稳定剂与硫酸亚铁的摩尔比为0.04；

(4)将步骤(3)所得聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基丙烯酸混合， 搅拌均匀，得混合溶液；其中聚硅硫酸铁溶液与聚二甲基二烯丙基丙烯酸的质 量比为10％；

(5)在步骤(4)的混合溶液中加入保护剂亚硫酸氢钠，然后于30℃下反 应4小时，即得聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂；其中保护剂与聚二甲基二 烯丙基丙烯酸的摩尔比为0.04。

实施例11

将实施例1～10得到的产品混合，得到聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂， 为淡黄色至红褐色液体，易溶于水，不溶于乙醇、甲醇、丙酮等有机溶剂。样 品用来处理生活污水，处理后的生活污水效果见图1所示，对应的处理前的生 活污水如图2所示。

实施例12

本发明聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的使用效果试验

1、实验设置

将12个1000ml生活污水，随机分为4个实验组，分别添加阳离子聚丙烯 酰胺(一组)、聚合硫酸铁(二组)、聚合氯化铝(三组)、本发明聚硅硫酸铁基 无机-有机复合絮凝剂(四组)，每个实验组3个样本，分别添加絮凝剂10ppm、 20ppm、40ppm。

本实验在常温下进行，加入絮凝剂后以120转/分钟的转速快速搅拌1分钟， 结束后调节转速为60转/分钟搅拌1分钟。

2、絮凝沉降性能测试

记录每个样本的沉降速度、沉降颗粒状态，测试上清液化学需氧量、悬浮 物、色度。

3、实验结果

实验结果表明，所有添加聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂的实验组，其 絮体沉降速度、颗粒状态均优于其它实验组，上清液COD_Cr、SS、色度均小于 其它三组。表明在生活污水中添加10-40ppm的聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮 凝剂可以显著提高生活污水的絮凝性能。

以上实验表明，本发明的聚硅硫酸铁基无机-有机复合絮凝剂可用作水处理 絮凝沉降剂，提高生活污水絮凝性能。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发 明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普 通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不 脱离本发明技术方案的实质和范围。