含硼聚硅铁的形貌结构研究_方月梅

化学与生物工程2010,Vol.27No.11Chemistry&Bioengineering33收稿日期:2010-06-08作者简介:方月梅(1973-),女,湖北黄冈人,硕士,讲师,研究方向:水污染控制技术。E-mail:fangyuemei@126.com。含硼聚硅铁的形貌结构研究方月梅,张晓玲,王成(黄石理工学院环境学院,湖北黄石435003)摘要:向聚硅酸中引入Fe3+和硼,制得了稳定性更好的高效絮凝剂含硼聚硅铁(PFSB)。用电子显微镜观察分析了PFSB的形貌,用红外光谱和X-射线研究了其中硼、Fe3+及其水解产物与聚硅酸的相互作用情况,并对其电学特征进行了考察。结果表明,硼、Fe3+及其水解产物和聚硅酸等多种组分之间有相互作用,形成了尺度更大的聚集单元;PFSB的这种特殊结构是其具有良好稳定性和混凝性能的根本原因。关键词:含硼聚硅铁;形貌结构;红外光谱;电学特征中图分类号:TQ314.253文献标识码:A文章编号:1672-5425(2010)11-0033-03聚硅硫酸铁(PFSS)是在聚硅酸和传统铁盐絮凝剂的基础上发展起来的新型复合型多核无机高分子絮凝剂。PFSS综合了聚硅酸粘结聚集、吸附架桥效能强以及铁盐电中和能力强、絮体大、脱色性能好等优点[1～5],但贮存稳定性差,制约着其工业化进程。研究发现,引入适量硼能抑制硅酸分子间羟基缩水自聚胶凝,提高絮凝剂的稳定性和混凝性能,且具有高效、无毒、适用性强、适用范围广等特点[4～11]。作者向聚硅酸中引入Fe3+和硼制备了含硼聚硅铁(PFSB),并用电子显微镜、红外光谱和X-射线考察了硼引入后聚硅硫酸铁絮凝剂形貌和结构的改变。由于PFSB絮凝剂胶体溶液在制备后仍在发生化学变化,溶液的电导率随陈化时间的延长而改变,因此,也对溶液的电学特征进行了考察。1实验1.1主要试剂和仪器Fe2(SO4)3·18H2O、硼砂、浓硫酸、NaOH,均为分析纯;工业水玻璃(模数为3.2,含SiO228.3%)。PHS-25型酸度计,XSP-XSZ型电子显微镜,DBJ-623型六联电动搅拌机,AB104-N型电子天平,DK-98-6021型真空干燥箱,VERTEX70型傅立叶红外光谱仪,HI9835型电导率仪,D/MAX-ⅢA型X-射线衍射仪。1.2絮凝剂的制备取一定量的水玻璃,用水稀释至一定浓度,用硫酸调节其pH值,然后在一定温度下使其预聚合(即活化)一段时间,按比例[n(B)∶n(Si)=0.16∶1、n(Fe)∶n(Si)=1∶3]向制好的聚硅酸中分别加入硼砂溶液、Fe2(SO4)3溶液,搅拌一段时间后陈化,即得pH<2.0的PFSB絮凝剂。1.3絮凝剂的形貌观测将陈化了10d的絮凝剂滴到干净的载玻片上(尽量薄),低温(<60℃)干燥后用电子显微镜观察并放大160倍拍照。1.4絮凝剂的红外光谱分析将液体样品置于烘箱中于60℃左右烘干,制得固体样品,以KBr作本底,用傅立叶红外光谱仪采用压片法测定其红外光谱。分辨率2cm-1,扫描60次,扫描范围400～4000cm-1。1.5絮凝剂的X-射线衍射分析分别将聚硅酸、PFSS、PFSB的溶液放在真空干燥箱中于60℃干燥成固体粉末后,进行X-射线衍射分析。1.6絮凝剂的电学特征测定用电导率仪测定PFSS[n(Fe)∶n(Si)=1∶3]和PFSB溶液的电导率随时间的变化曲线。2结果与讨论2.1形貌分析(图1)由图1a可知,聚硅酸为球形或椭球形颗粒,大小较均匀。由图1b可知,Fe3+水解产物之间会发生羟基架桥聚合反应,生成不同聚合度的高电荷铁络离子。这方月梅等:含硼聚硅铁的形貌结构研究/2010年第11期34图1聚硅酸(a)、聚硅硫酸铁(b)和含硼聚硅铁(c)的电子显微照片Fig.1Theelectronmicroscopeimagesofpolysilicicacid(a),PFSS(b)andPFSB(c)些水解产物和聚合铁络离子或被吸附在聚硅酸颗粒表面上,或与硅酸缩聚及配位结合,像粘结剂和“锚钩”一样将聚硅酸颗粒连接成大分子聚合物。由图1c可知,与PFSS相比,PFSB的基本形貌未发生大的变化,但聚合物的聚合度增加,聚集体枝杈变粗变长,而且结构更致密规整。这可能是因为:(1)硼取代了硅酸中部分硅[7,8],而且硼在酸性条件下以游离的硼酸分子存在;(2)铁盐加入后,发生水解-聚合反应,生成一系列多核羟基络离子,它们和硼酸分子、聚硅酸颗粒以及硼硅酸根等阴离子发生配位络合作用,形成带B-O-Fe、Si-O-Fe、Si-O-B、Si-OH…B等键的螯合物,生成了分子链更长、分子量更大的聚合物。这些相互作用不仅延缓、阻止了主体成分聚硅酸胶粒之间以滚雪球方式直接聚合为尺寸更大的非晶态,提高了聚硅酸的稳定性,而且还使复合絮凝剂成为分子链更长、分子量