改性樹脂對(duì)高濃度硅酸的吸附去除

崔紅艷，李佳欣，呂 緯，杜 聰，韓 玨，白淑琴,2

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010021；2.長(zhǎng)江師范學(xué)院綠色智慧環(huán)境學(xué)院，重慶 408100)

0 引 言

在水利用系統(tǒng)的設(shè)備內(nèi)，結(jié)垢現(xiàn)象普遍存在。眾多種類的水垢中，屬硅垢(硅酸水垢)質(zhì)地堅(jiān)硬，不溶于普通酸堿，較難處理[1-2]。硅垢主要包括二氧化硅垢和硅酸鹽垢，pH值、溫度和礦化度的改變，都能導(dǎo)致無定形的硅酸分子脫水縮合成堅(jiān)硬的二氧化硅晶體產(chǎn)生硅垢[3-5]。同時(shí)，溶解性的硅酸負(fù)離子與溶液中金屬離子結(jié)合生成硅酸鹽垢，沉積在管道和設(shè)備內(nèi)壁，影響管道熱交換效率，導(dǎo)致設(shè)備不能正常運(yùn)行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[6-8]。

高濃度硅酸水溶液中，硅酸主要以可溶性硅酸、聚硅酸、硅膠體(直徑大于5 nm的聚硅酸)和二氧化硅(直徑大于0.45 μm)等形式存在[9]，當(dāng)單硅酸濃度達(dá)到過飽和狀態(tài)，幾個(gè)硅酸分子會(huì)通過縮合脫水形成小于5 nm的高分子，即聚硅酸，聚硅酸繼續(xù)聚合，粒徑大于5 nm時(shí)變成硅膠體，再大到 0.45 μm變?yōu)槎趸韫竅10-11]，水溶液中的聚硅酸之間也會(huì)聚合，這就大大加快了形成硅垢的速度。常見的防治硅垢的方法中，超濾法膜孔徑小于100 nm，主要截留膠體硅，對(duì)溶解硅幾乎無脫除效果[12-13]；陰離子交換樹脂去除水中的硅酸，優(yōu)點(diǎn)是可以將硅酸含量降低到0.1 mg·L-1[14]，但由于硅酸根的交換能力較弱，所以極易受水中其他陰離子的影響，同時(shí)，陰離子交換樹脂只能去除溶液中的硅酸根離子，其他分子態(tài)的硅酸無法去除。聚硅酸是存在于單硅酸和硅膠體之間的一種形式，極不易去除，卻很容易聚合形成硅垢。所以去除水中聚硅酸對(duì)抑制高濃度含硅溶液中產(chǎn)生硅垢有重大意義。

本研究將在前人的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，探究用沒食子酸(GA)進(jìn)行改性的樹脂(GA型樹脂)對(duì)高濃度硅酸溶液的吸附性能，利用硅鉬黃分光光度法結(jié)合ICP測(cè)定溶液中不同種類硅酸的含量，用粒度分析法分析粒徑的變化趨勢(shì)，從而揭示改性樹脂對(duì)高濃度聚硅酸的吸附機(jī)理，為水利用系統(tǒng)中硅垢的防治提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用的試劑均為分析純：九水合硅酸鈉(日本和光純樂工業(yè)株式會(huì)社)，沒食子酸(北京酷來博科技)，四水合鉬酸銨(天津市福晨化學(xué)試劑)。溶液均用超純水配置。吸附劑是沒食子酸改性的強(qiáng)堿型陰離子交換樹脂(麥克林Amberlite?IRA402-Cl)(GA型樹脂)。吸附質(zhì)為0.1 mol·L-1的硅酸鈉儲(chǔ)備液。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟與方法

1.2.1 改性樹脂對(duì)聚硅酸的吸附性能

取濃度為408 mg·L-1的硅酸溶液250 mL，調(diào)節(jié)pH值為8±0.2，在恒溫振蕩器內(nèi)130 r·min-1、25 ℃下聚合5 h。將0.686 2 g干GA型樹脂加入上述溶液中繼續(xù)振蕩。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?～10 h的時(shí)間間隔取樣，過0.45 μm的膜，用ICP測(cè)定濾液中硅酸含量。用吸附前后硅酸濃度的差值計(jì)算樹脂上吸附聚硅酸的量q，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：C0為溶液中初始Si的濃度,mg·L-1；Ct為某一時(shí)刻溶液中Si的濃度,mg·L-1。

1.2.2 改性樹脂吸附硅酸過程中不同形態(tài)硅酸含量的變化

為了研究吸附過程中不同形態(tài)硅酸的變化，配置與上述實(shí)驗(yàn)相同條件的兩組溶液。(A)組不加樹脂繼續(xù)振蕩作為空白實(shí)驗(yàn)；(B)組加同樣的樹脂振蕩，取樣。用分光光度計(jì)(硅鉬黃法)和ICP分別測(cè)定濾液中單硅酸和總硅酸濃度，計(jì)算不同形態(tài)硅酸的量。

計(jì)算方法如下(下述各式中單位均為mg·L-1)：

樹脂吸附硅酸的濃度Q：

Q=C0-Ct

(2)

小于0.45 μm聚硅酸濃度：

C<0.45μmPloySi=CT-CH4SiO4

(3)

大于0.45 μm聚硅酸濃度：

C>0.45μmPloySi=C0-C<0.45μmPloySi-Q

(4)

C0=C<0.45μmPloySi+C>0.45μmPloySi+Q

(5)

式中：CT為濾液中總硅酸濃度，使用ICP直接測(cè)定；C0為溶液初始硅酸濃度；Ct為某個(gè)時(shí)刻硅酸濃度；CH4SiO4為單硅酸濃度，用硅鉬黃分光光度法直接測(cè)定。

1.2.3 聚硅酸粒徑隨吸附時(shí)間的變化

與1.2.2節(jié)實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?～10 h的不同時(shí)間間隔取樣,用激光粒度儀測(cè)定聚硅酸粒徑。

1.2.4 吸附在改性樹脂上的聚硅酸的形貌

為研究改性樹脂對(duì)聚硅酸的吸附機(jī)理，將吸附聚硅酸的樹脂過濾，用水淋洗三遍后自然晾干，對(duì)干樹脂進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性樹脂對(duì)聚硅酸的吸附性能

在常溫常壓的條件下，硅酸的飽和濃度為60 mg·L-1(用Si表示)。在高硅酸濃度的水體中，大于飽和濃度的硅酸在溶液中發(fā)生聚合反應(yīng)，生成聚硅酸。由于硅酸飽和度和水環(huán)境的不同，生成的聚硅酸的粒徑也不同，所以在水利用系統(tǒng)中的行為也不同。改性樹脂對(duì)低濃度的硅酸有較好的吸附性能[15]，但對(duì)高濃度硅酸的吸附還沒有報(bào)道。為研究改性樹脂對(duì)聚硅酸的吸附性，提前聚合5 h濃度為408 mg·L-1的硅酸，再添加樹脂進(jìn)行吸附。圖1是改性樹脂吸附聚硅酸的吸附量隨時(shí)間的變化圖。硅酸溶液的初始濃度為408 mg·L-1，由圖可知，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，改性樹脂吸附聚硅酸的量逐漸變大，最后趨于平衡，吸附量可達(dá)13.48 mg·g-1，說明該樹脂對(duì)聚硅酸也有較好的吸附能力。與張玲玲[15]的研究比較，改性樹脂吸附聚硅酸的量大于吸附單硅酸的量(6.87 mg·g-1)，說明了改性樹脂不僅吸附單硅酸，也能吸附聚硅酸。所以，改性樹脂可以應(yīng)用于去除濃度范圍較廣的硅酸水體，防止硅垢的形成。

圖1 改性樹脂對(duì)聚硅酸的吸附量隨時(shí)間的變化Fig.1 Change of adsorption capacity of polysilicic acid adsorbed by modified resin with time

2.2 吸附過程中不同形態(tài)硅酸含量的變化

為探究改性樹脂優(yōu)先吸附高濃度硅酸溶液中的硅酸種類，對(duì)吸附過程中不同時(shí)間的水樣進(jìn)行不同(用分光光度計(jì)和ICP)的測(cè)定，按公式(2)～(5)分別計(jì)算了濾液中單硅酸、聚硅酸和吸附在樹脂上的硅酸的量，并表示在圖2中。初始濃度為408 mg·L-1的硅酸溶液先振蕩5 h后，在不加樹脂的(A)組實(shí)驗(yàn)中，最初的0 h時(shí)(已經(jīng)聚合5 h)，溶液中存在單硅酸、小于0.45 μm的聚硅酸和大于0.45 μm的聚硅酸三種形態(tài)的硅酸，且小于0.45 μm的聚硅酸占據(jù)的比例較大。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，單硅酸的濃度逐漸減小，而大于0.45 μm的聚硅酸含量逐漸增大，說明單硅酸聚合成聚硅酸，進(jìn)而又聚合成大于0.45 μm的聚硅酸，這種聚合變化與前人的研究結(jié)果相一致[16]。在添加改性樹脂的(B)組實(shí)驗(yàn)中，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，單硅酸和大于0.45 μm的聚硅酸的含量都有所增加。單硅酸含量的增加可能是由于硅酸與樹脂上脫落的少量的沒食子酸形成的配合物(可溶性)提高了與鉬酸銨反應(yīng)的硅酸含量。而大于0.45 μm的聚硅酸的增加是因?yàn)橐徊糠止杷嵛皆跇渲希?.45 μm膜過濾時(shí)留在了樹脂上。為計(jì)算吸附在樹脂上的硅酸含量，用定性濾紙過濾樹脂，用0.1 mol·L-1的NaOH溶液煮沸樹脂，把吸附在樹脂上的硅酸溶解為單硅酸，再用硅鉬黃法測(cè)定解析液中的硅酸，計(jì)算每克樹脂上吸附的硅酸的量(圖中白色)。隨時(shí)間的延長(zhǎng)，圖2(a)中小于0.45 μm的聚硅酸的量沒有明顯的變化，而圖2(b)中有逐漸減小的趨勢(shì)，且吸附在樹脂上的硅酸的量增加，推測(cè)小于0.45 μm的聚硅酸優(yōu)先吸附在樹脂上。

圖2 聚硅酸溶液中不同形態(tài)的硅酸組分濃度隨時(shí)間的變化Fig.2 Changes of the concentration of different forms of silicic acid components with time

為研究改性樹脂對(duì)高濃度硅酸溶液中不同形態(tài)硅酸的優(yōu)先吸附性，把圖2中不同形態(tài)硅酸濃度的減少量與吸附在樹脂上的硅酸的增加量之間的關(guān)系用圖3表示。圖中，硅酸吸附量的變化與小于0.45 μm的聚硅酸的擬合度較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.928 2，可以認(rèn)為樹脂優(yōu)先吸附小于0.45 μm的聚硅酸。而與單硅酸和大于0.45 μm聚硅酸的擬合度較低，說明硅酸吸附量與單硅酸和大于0.45 μm聚硅酸的關(guān)聯(lián)度較小。

圖3 樹脂的硅酸吸附量與不同形態(tài)硅酸變化量的線性擬合Fig.3 Linear fitting between the polysilicic acid adsorption capacity adsorbed by resin and the variation of different forms of silicic acid

2.3 聚硅酸粒徑隨吸附時(shí)間的變化

為進(jìn)一步探究樹脂優(yōu)先吸附小于0.45 μm的聚硅酸，測(cè)定了溶液中聚硅酸粒徑的變化，結(jié)果如圖4所示。在不加吸附劑的圖(a)中，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，聚硅酸的粒徑主要呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，從聚合2 h的20～50 μm一直增大到聚合15 h的250～300 μm，說明通過自聚合反應(yīng)聚硅酸逐漸變大[17]。而從聚合5 h后添加樹脂的圖(b)中可知，聚硅酸的粒徑出現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，從吸附2 h(實(shí)際聚合7 h)的200 μm減小到吸附10 h的50 μm，說明改性樹脂不僅阻止硅酸的聚合變大，而且促進(jìn)大粒徑的顆粒分解成小的顆粒。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在吸附過程中改性樹脂優(yōu)先吸附了粒徑小于0.45 μm的聚硅酸，導(dǎo)致體系中該物種的含量降低，促進(jìn)了大顆粒分解為小顆粒，保持體系中各物種的占比。因此，隨著吸附量的增加，體系中小顆粒含量不斷減小，大顆粒不斷分解為小顆粒，導(dǎo)致粒徑不斷變小。

圖4 聚硅酸溶液中聚硅酸粒徑隨聚合時(shí)間的變化Fig.4 Changes of polysilicic acid particles size with polymerization time

2.4 改性樹脂與聚硅酸的相互作用機(jī)制

為更直觀地了解改性樹脂與聚硅酸的吸附機(jī)理，對(duì)已吸附聚硅酸的改性樹脂進(jìn)行了掃描電子顯微鏡觀察,見圖5。從圖(a)觀察到，樹脂表面有明顯的小顆粒附著物，且分布較松散，為無定形狀態(tài)的沉淀物，相比圖(a)，圖(b)可以觀察到樹脂表面有一層白色的沉淀物附著，且呈現(xiàn)片狀分布，繼續(xù)放大觀察，圖(c)和圖(d)，明顯看到樹脂上有大量緊密排列的沉淀物，說明6 h時(shí)，改性樹脂上吸附了部分小顆粒的聚硅酸，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和聚硅酸的不斷聚合，即反應(yīng)30 h后，改性樹脂上附著了大量的聚硅酸，并且在樹脂表面的形貌分布十分突出。

圖5 改性樹脂吸附聚硅酸后的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of polysilicic acid adsorbed on the modified resin

為了更清晰地揭示這種吸附機(jī)制，硅酸聚合以及改性樹脂吸附硅酸的反應(yīng)式如圖6所示。從反應(yīng)式(a)中可以看出，單硅酸會(huì)聚合為二聚體，隨著(a)反應(yīng)不斷進(jìn)行，會(huì)繼續(xù)聚合為三聚體、四聚體以及其他的聚合物，這與其他硅垢研究者的研究結(jié)果相一致[18-19]。反應(yīng)式(b)中，改性樹脂既能與單硅酸反應(yīng)，還能與聚硅酸反應(yīng)，在此同時(shí)，吸附在樹脂上的聚硅酸還能與溶液中的單硅酸發(fā)生聚合反應(yīng)，使得吸附在樹脂上的聚硅酸不斷增多，形成大量聚硅酸的吸附，與圖5 SEM照片一致。說明當(dāng)單硅酸和較小的聚硅酸(小于0.45 μm)是優(yōu)勢(shì)物種時(shí)，可以與沒食子酸分子反應(yīng)被固定在樹脂上，隨著聚合反應(yīng)的不斷進(jìn)行以及時(shí)間的延長(zhǎng)，溶液中的硅酸不斷聚合，吸附在樹脂上的硅酸也會(huì)與溶液中的硅酸聚合，也就使得改性樹脂吸附的硅酸不斷增多，形成了片狀結(jié)構(gòu)。

圖6 樹脂上吸附聚硅酸的示意圖Fig.6 Schematic diagram of polysilicic acid adsorbed on the resin

3 結(jié) 論

改性樹脂對(duì)高濃度硅酸溶液中的聚硅酸有較好的吸附性，30 h內(nèi)對(duì)初始濃度為408 mg·L-1的硅酸的平衡吸附量可達(dá)13.48 mg·g-1，是該吸附劑對(duì)單硅酸溶液吸附量(6.87 mg·g-1)的2倍。改性樹脂可直接吸附聚硅酸，且以吸附小于0.45 μm的聚硅酸為主。小顆粒聚硅酸被樹脂吸附后體系中該物種的含量降低，促進(jìn)大顆粒分解為小顆粒。小顆粒繼續(xù)與已經(jīng)吸附在樹脂上的小顆粒反應(yīng)，吸附的硅酸越來越多，形成了大片聚硅酸覆蓋在了樹脂表面。