片状硫酸铝(变废为“宝”，生命之源)

Posted 2023-06-02

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片状硫酸铝(变废为“宝”，生命之源)

水是生命之源，万物之母，生存之本!

地球上70%-75%被水资源覆盖，但海水占总储量的97.3%，而淡水仅占2.7%，可见可饮用的水资源匮乏，不仅需要节约用水，也得减少水污染，从源头保护，才是重中之重。

水处理目标是改变水质，去除水中不需要的颗粒，加入物质调节水的pH值或电导率等参数。它是一个净化废水并返回水循环的过程。

废水包含需要去除的颗粒污染物。每个颗粒有电荷分布在它的表面，或负或正或者是两者的混合。Zeta电位反映悬浮液中颗粒表面电荷的大小，同样是胶体悬浮液稳定性的关键指标。Zeta电位绝对值越大，颗粒间静电排斥力越强，悬浮液存在越稳定。经验显示绝对值大于30mV通常表明好的胶体悬浮液稳定性。

图1 悬浮液稳定性和zeta电位关系

相反，zeta电位绝对值小于30mV被认为是不稳定胶体。这种情况下，静电排斥力弱，一位置颗粒间吸引力可能超过排斥力，颗粒可能团聚。

废水中负电荷颗粒的一种典型物质是膨润土，一种片状纳米颗粒结构的铝硅酸盐黏土。废水处理工厂通常使用的一种凝结剂是硫酸铝或者叫明矾，一种阳离子添加剂化学式为Al2(SO4)3•14H2O。在这篇应用报告中，我们通过DLS和ELS测试研究了明矾添加剂对膨润土纳米黏土悬浮液的作用。

实验

膨润土样品通过分散0.01g的膨润土黏土粉末于10mL去离子水中制备，超声15分钟来分散颗粒。添加不同浓度的明矾，手摇几分钟进行混合。

安东帕Litesizer™ 500用于测试。Zeta电位用欧米茄样品池在25℃下测试，电压和回合数由仪器自动选择。对于粒径测试，1mL的样品被转移到一次性样品池中。角度、滤光和聚焦位置自动确定。每个样品进行连续三次测试。

结果与讨论

首先研究不包含添加剂(0ppm明矾)的膨润土样品。结果显示一个单峰的粒径分布(图2，上图)，峰值是547nm，多分散指数是16.2%。Zeta电位是-34.2mV表明胶体悬浮液稳定。

图2 没有添加剂的膨润土：粒径(上图)和zeta电位分布(下图)

加入0.01ppm的明矾后，粒径分布显示两个不同的峰，向更大粒径偏移和多分散指数增加(图3上图)。然而，加入明矾没有影响悬浮液的zeta电位，与未添加的膨润土保持一致(图2、3的下图)。

图3 加入0.01ppm明矾的膨润土：粒径(上图)和zeta电位(下图)分布

实验继续在膨润土中加入更大量的明矾。如图4所示，当明矾添加到10ppm时粒径缓慢增加到1000nm。然而，直到明矾增加到10ppm添加对悬浮液的zeta电位没有指示性作用仍然稳定(-30mV左右)。这表明胶体仍然处于稳定状态，与我们对样品可见的观察一致。

图4 添加明矾到0.1%膨润土的zeta电位(红色)和粒径(灰色)测试。结果用三次连续测试平均值±标准偏差表示。

然而，当100ppm明矾加入到膨润土时，观察到样品行为重大的改变(图4)。当zeta电位绝对值开始变小，粒径飙升至3000nm，清楚表明胶体稳定性下降和絮凝过程开始。在明矾加入到200ppm时，zeta电位绝对值接近于0，表明达到等电点(图4和图5)。有意思的是，明矾从100ppm增加到200ppm，粒径没有继续增加仍然是3000nm，表明明矾100ppm时絮凝已经完成。

图5 加入200ppm明矾的膨润土：粒径(上图)和zeta电位(下图)分布

值得注意的是，连续测量的透光率数值确认了100ppm和200ppm膨润土样品(图6紫线和蓝线)中大团聚的形成。事实上，对于这些样品，我们观察到在重复系列第一和第三次之间，透光率数值剧烈的增加。这清楚表明在测试过程中团聚沉淀于欧米伽样品池，导致激光路径上样品浑浊度的逐渐降低。这与膨润土中添加明矾到10ppm所做的透光率测试形成强烈对比，透光率数值在重复系列过程中保持稳定-正如一个稳定胶体悬浮液的预期(图6，灰色、红色和绿色线)。

有趣的是，虽然明矾从100ppm增加到200ppm粒径没有进一步增大，三次运行测试后添加200ppm明矾的膨润土透光率大于100ppm添加的膨润土(75%对28%)。这表明前者样品沉淀快于后者，这是工厂通过沉淀进行废水处理的重要性指标。

图6 DLS重复系列记录的透光率数值，纯膨润土(灰色)、添加1ppm明矾(红色)，10ppm(绿色)，100ppm(紫色)和200ppm(蓝色)。时间间隔：第一次到第二次：380秒;第二次到第三次：200秒。

结论

使用安东帕Litesizer™ 500监测zeta电位和粒径，我们能够确定需要什么凝结剂浓度让0.1%膨润土胶体悬浮液不稳定。我们观察到需要100ppm的明矾凝结剂来实现絮凝，正如zeta电位绝对值的下降同时粒径急剧增大验证。虽然增加明矾到200ppm不会进一步增大粒径峰值，透光率测试表明样品比100ppm明矾沉淀更快-对废水处理去除颗粒物有重要意义。

通过建立浓度系列，安东帕Litesizer™ 500使用者能够轻松调整给定颗粒浓度废水的凝结剂剂量。凝结剂最佳剂量可以同时由zeta电位和粒径测试确定。而且，同时记录的透光率能够给出额外的样品行为有用信息。