基于工业废弃物的聚硅酸盐混凝剂研究

混凝剂的优劣是影响混凝处理效果的关键因素。开发混凝性能优异、低成本、无毒环保的混凝剂一直是国内外水处理领域的热点研究方向之一。 本书基于工业废弃物回用，提出了“同时聚合法”制备聚硅酸盐混凝剂(PSiC)，即从粉煤灰、硫酸烧渣、废硫酸等废弃物中提取硅、金属盐溶液，然后同步进行硅酸聚合、金属盐羟基化聚合以及硅与金属离子聚合得到PSiC。采用X-射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)、紫外/可见吸收扫描(UV/VIS)以及显微成像等多种方法表征PSiC的形态结构，分析了混凝剂中各组分之间络合过程、形态分布、显微形貌以及絮体分形特征。并采用计算流体动力学软件Fluent对PSiC在圆形辐流式沉淀池中的多相流动及絮凝过程进行了数值模拟，研究压力场、密度场、速度场和浓度分布等情况，综合深入分析了PSiC的混凝机理。同时应用PSiC处理多种工业废水，比较处理效果。与传统无机混凝剂相比，聚硅酸盐混凝剂具有制备工艺简单、资源化利用废弃物、生产成本低、污染物去除率高和无二次污染等优点，工业应用前景广阔。 本书共分为8章，主要介绍了工业废弃物污染现状、混凝剂分类研究进展、聚硅酸金属盐混凝剂发展现状、混凝理论及动力学研究现状；试验材料与方法，聚硅酸盐混凝剂的研发，聚硅酸盐混凝剂的的结构与形态表征研究，不同方法制备的聚硅酸盐混凝剂的结构形态比较研究，应用聚硅酸盐混凝剂处理多种工业废水的混凝性能及絮体分形特征研究；混凝剂在圆形辐流式沉淀池中的多相流动及絮凝过程的数值计算模型及模拟结果，研究结论及展望。 本书具有较强的知识性和技术性，可供从事各种废水处理、工业废弃物处理等领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也供高等学校环境工程、化学工程及相关专业师生参阅。 

本书共分为8章，主要介绍了工业废弃物污染现状、混凝剂分类研究进展、聚硅酸金属盐混凝剂发展现状、混凝理论及动力学研究现状；实验材料与方法，聚硅酸盐混凝剂的研制，聚硅酸盐混凝剂的结构与形态表征研究，不同方法制备的聚硅酸盐混凝剂的结构形态比较研究，应用聚硅酸盐混凝剂处理多种工业废水的混凝性能及絮体分形特征研究，混凝剂在圆形辐流式沉淀池中的多相流动及絮凝过程的数值计算模型及模拟结果，研究结论及展望。本书具有较强的知识性和技术性，可供废水处理、工业废弃物处理等领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境工程、化学工程及相关专业师生参阅。

李冉：博士西安石油大学老师，从事油气田污水处理与回用研究，主持参与多项污水处理相关项目，包括主持国家自然科学基金项目1项、陕西省自然科学基础研究计划项目1项、陕西省教育厅专项科研计划项目1项、陕西省高校科协青年人才托举计划项目1项、和西安石油大学博士科研启动项目1项；参与在研陕西省科技统筹创新工程计划项目1项；参与完成国家科技重大专项子课题1项、陕西科技统筹创新工程计划项目2项、陕西省“13115”科技创新工程1项以及延长油田等企业委托横向课题多项。已发表学术论文15篇(其中SCI检索 10篇，EI 检索2篇)，授权发明专利2项。

1绪论/001

1.1工业废弃物污染现状003

1.1.1工业废水003

1.1.2固体废弃物004

1.2混凝剂研究进展005

1.2.1无机高分子混凝剂005

1.2.2有机高分子混凝剂006

1.2.3生物混凝剂008

1.2.4复合混凝剂008

1.3聚硅酸金属盐混凝剂010

1.3.1聚硅酸金属盐混凝剂种类010

1.3.2聚硅酸金属盐混凝剂的研究进展012

1.4混凝理论研究014

1.4.1混凝剂形态学014

1.4.2絮体分形理论016

1.4.3混凝作用机理017

1.5混凝动力学019

1.5.1计算流体动力学019

1.5.2群体平衡模型023

1.6本书研究目的、意义和内容026

1.6.1研究目的和意义026

1.6.2主要研究内容027

2实验材料与实验方法/029

2.1实验材料及仪器设备031

2.1.1实验材料031

2.1.2仪器设备032

2.2混凝实验及水质分析方法033

2.2.1混凝实验033

2.2.2水质分析033

2.3形态结构表征方法034

2.3.1X射线衍射仪(XRD)法034

2.3.2红外光谱(FT-IR)法034

2.3.3紫外/可见吸收(UV/VIS)扫描法034

2.3.4显微成像系统分析034

2.4分型维数测定方法035

2.4.1分型维数计算035

2.4.2分型维数测定035

3聚硅酸盐混凝剂(PSiC)的研制/037

3.1PSiC制备040

3.1.1工业废弃物浸取040

3.1.2PSiC聚合041

3.2制备条件对PSiC性能的影响041

3.2.1正交试验设计041

3.2.2正交试验结果042

3.2.3正交试验结果分析043

3.3本章小结046

4聚硅酸盐混凝剂(PSiC)结构与形态分析/047

4.1X射线衍射(XRD)分析050

4.1.1不同Si/(Fe Al)比的PSiC XRD分析051

4.1.2不同pH值的PSiC XRD分析053

4.2红外光谱(IR)分析056

4.2.1不同Si/(Fe Al)比的PSiC IR分析057

4.2.2不同pH值的PSiC IR分析060

4.3紫外/可见吸收(UV/VIS)扫描分析063

4.3.1不同Si/(Fe Al)比的PSiC UV/VIS分析063

4.3.2不同pH值的PSiC UV/VIS分析068

4.4显微成像分析071

4.4.1不同Si/(Fe Al)比的PSiC显微成像分析071

4.4.2不同pH值的PSiC显微成像分析076

4.5本章小结079

5不同方法制备的聚硅酸盐混凝剂(PSiC)结构与形态/081

5.1不同方法制备PSiC083

5.1.1同时聚合法084

5.1.2共聚法085

5.2XRD分析085

5.2.1不同Si/(Fe Al)比的PSiFA的XRD分析085

5.2.2PSiC与PSiFA的XRD对比分析087

5.3IR分析089

5.3.1不同Si/(Fe Al)比的PSiFA的IR分析089

5.3.2PSiC与PSiFA的IR对比分析091

5.4UV/VIS分析092

5.4.1不同Si/(Fe Al)比的PSiFA的UV/VIS分析092

5.4.2PSiC与PSiFA的UV/VIS对比分析094

5.5显微成像分析096

5.5.1不同Si/(Fe Al)比的PSiFA的显微成像分析096

5.5.2PSiC与PSiFA的显微成像分析096

5.6本章小结099

6聚硅酸盐混凝剂(PSiC)的混凝性能及絮体分形特征/101

6.1PSiC的混凝性能104

6.1.1采油废水104

6.1.2其他工业废水110

6.2废水pH值对PSiC混凝性能的影响113

6.3PSiC对天然有机物(NOMs)的去除效果114

6.3.1pH值的影响115

6.3.2投加量的影响117

6.4Si/(Fe Al)比对PSiC混凝性能和絮体分形维数的影响119

6.4.1Si/(Fe Al)比对PSiC混凝性能的影响119

6.4.2Si/(Fe Al)比对PSiC絮体分形维数的影响120

6.5PSiC的pH值对混凝性能和絮体分形维数的影响123

6.5.1PSiC的pH值对混凝性能的影响123

6.5.2PSiC的pH值对絮体分形维数的影响124

6.6PSiC与其他混凝剂性能和絮体分形维数比较128

6.6.1PSiC与其他混凝剂性能对比128

6.6.2PSiC与PSiFA絮体分形维数对比129

6.7本章小结133

7聚硅酸盐混凝剂(PSiC)混凝动力学/135

7.1物理模型139

7.2网格划分141

7.3数学模型141

7.3.1模型假设141

7.3.2多相流模型142

7.3.3湍流模型144

7.3.4边界条件及求解方法145

7.4计算结果及分析146

7.4.1压力场146

7.4.2密度场146

7.4.3速度场147

7.4.4浓度场150

7.5本章小结152

8结论与展望/153

8.1本书主要结论155

8.2研究展望157

参考文献/159

 

随着社会经济的不断发展，工业废水的排放量日益增大，废水回用和排放处理的标准也越来越严格。混凝处理是重要的废水深度处理工艺之一，能够破坏废水中胶体的稳定性，去除有机物、固体悬浮物和毒性物质等。混凝剂的质量是影响混凝处理效果的关键因素，开发混凝性能优异、低成本、无毒环保的混凝剂一直是国内外水处理领域的热点研究方向之一。本书基于工业废弃物回用，提出了“同时聚合法”制备聚硅酸盐混凝剂(PSiC)，即从粉煤灰、硫酸烧渣、废硫酸等废弃物中提取硅、金属盐溶液，然后同步进行硅酸聚合、金属盐羟基化聚合以及硅与金属离子聚合得到PSiC。采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)、紫外/可见吸收扫描(UV/VIS)以及显微成像等多种方法表征PSiC的形态结构，分析了混凝剂中各组分之间络合过程、形态分布、显微形貌以及絮体分形特征。并采用计算流体动力学软件FLUENT对PSiC在圆形辐流式沉淀池中的多相流动及絮凝过程进行了数值模拟，研究压力场、密度场、速度场和浓度分布等情况，综合深入分析了PSiC的混凝机理；同时应用PSiC处理多种工业废水，比较处理效果。与传统无机混凝剂相比，聚硅酸盐混凝剂具有制备工艺简单、资源化利用率高、生产成本低、污染物去除率高和无二次污染等优点，工业应用前景广阔。本书分为8章，第1章为绪论，主要介绍了工业废弃物污染现状、混凝剂研究进展、聚硅酸金属盐混凝剂发展现状、混凝理论及动力学研究现状；第2～第6章为实验研究部分，其中第2章介绍了实验材料与实验方法，第3章是关于聚硅酸盐混凝剂的研制，第4章是关于聚硅酸盐混凝剂结构与形态分析，第5章是关于不同方法制备的聚硅酸盐混凝剂的结构与形态，第6章是聚硅酸盐混凝剂的混凝性能及絮体分形特征；第7章为数值计算部分，介绍了混凝剂在圆形辐流式沉淀池中的多相流动及絮凝过程的数值计算模型及模拟结果，第8章为本书研究结论及展望。本书的研究工作受到国家自然科学基金项目(No.51504192)、陕西省自然科学基础研究计划项目(No.2016JQ5102)、陕西省教育厅专项科研计划项目(No.17JK0616)、陕西省高校科协青年人才托举计划项目(No.20160119)、陕西科技统筹创新工程计划项目(No.2011KTCL03-06，2011KTZB03-03-01)、陕西省“13115”科技创新工程(No.2011工程中心01)以及陕西延长石油集团有限责任公司等的资助和支持，同时得到了西安交通大学贺延龄教授的指导与帮助，使本书研究工作受益匪浅。在此向支持本书研究工作的单位和个人表示衷心的感谢。限于著者水平和时间，书中不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。著者2018年1月