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摘 要：利用自制磁化装置对聚合硫酸铁（PFS）进行预磁化，再进行混凝处理废水实验，从而降低出水余铁和亚铁含量。分别考察了有无磁场磁化作用条件下，PFS投加量、磁化强度、磁化时间等因素对出水余铁含量和pH值的影响。结果表明，磁化组出水的余铁和亚铁含量比未磁化组分别降低了47.6%和53.0%，且pH值低于未磁化组； 在PFS投加量1000 mg/L、磁化强度12 mT、磁化频率130 Hz、磁化时间5 min的条件下，最终出水的余铁和亚铁含量分别为0.688 mg/L和 0.202 mg/L，pH值呈弱酸性；磁化组出水的CODCr和色度的去除率分别较未磁化组提高了5.5个百分点和7.1个百分点。
关键词：造纸废水；聚合硫酸铁；变频磁场；余铁；pH值
中图分类号：X793
文献标识码：A
DOI：10.11981/j.issn.1000-6842.2018.04.07
随着国内工业兴起，产生了大量含有超标金属的工业废水，在水体的自流作用下，严重污染地表水，进而威胁人们的身体健康[1-3]。废水运输过程中，废水中含有的铁离子会腐蚀损坏设备及管网[4]。目前，废水处理工艺中，无机高分子混凝剂的使用最为广泛，其中以铁基高分子混凝剂的处理效果最为显著[5]。废水处理过程中，使用铁基高分子混凝剂会导致出水的铁离子浓度偏高，引起出水存在色度以及腐蚀性等问题[6-7]。其中，聚合硫酸铁（PFS）因具有低价、矾花多、比重大等优点而被广泛应用于混凝处理废水，但经PFS处理后的水中含有铁离子，会引起设备的腐蚀损坏。因此，本课题利用自制变频磁化装置对PFS进行预磁化，再混凝处理造纸废水。对比有无磁场磁化作用时，在最佳磁化条件和最佳PFS添加量的条件下测定出水余铁含量和pH值。通过测定出水余铁含量分析PFS混凝剂的利用率；出水余铁含量的降低将大大减少后续处理费用，且提高混凝剂处理效果。
1 实 验
1.1 仪器及材料
MY3000-6智能混凝试验搅拌仪（潜江梅宇仪器有限公司），320P-01数字式pH计（美国Thermo Fisher奥利龙），UV2100紫外分光光度计（上海尤尼柯仪器有限公司），WT10C数字高斯计（韦斯特电科技有限公司），YTN-11010變频稳压电源（青岛翊泰仪器仪表有限公司）；自制交频电磁装置，利用交频稳压电源为可调电源，连接电磁线圈，组成可调节的交流变频磁化装置，如图1所示。
盐酸羟胺，邻菲啰啉，乙酸铵，硫酸亚铁胺，乙酸钠，乙酸，浓硫酸，重铬酸钾，硫酸银，硫酸钾，硫酸铁均为分析纯；刚果红试纸。废水样取自盐城某造纸厂经三级混凝沉淀处理后的废水，废水样的余铁0.466 mg/L，亚铁0.216 mg/L，pH值7.6，CODCr=450 mg/L，色度180度。
1.2 实验方法
利用交流变频磁场磁化具有铁磁性的混凝剂PFS，磁场能改变体系中物质内能的特性和物理性质，影响其混凝效果[8-9]。将定量的PFS溶液置于交流变频磁化装置中，进行磁化预处理。将变频磁化预处理后的PFS溶液加入1 L造纸废水中，先以300 r/min的转速快速搅拌30 s，再以100 r/min的转速慢速搅拌15 min。搅拌结束后静置30 min，取上清液进行分析，得到出水中余铁及亚铁含量、pH值、CODCr和色度。磁化混凝实验流程图如图2所示。
磁化聚合硫酸铁混凝处理造纸废水的余铁和pH值变化研究第33卷 第4期
第33卷 第4期磁化聚合硫酸铁混凝处理造纸废水的余铁和pH值变化研究
1.3 分析方法
实验利用数字式pH计测定出水的pH值；出水余铁含量使用邻菲啰啉分光光度法测定，铁标准曲线线性回归方程Y=6.73143X+0.06124，相关系数：r=0.99945。水样COD采用重铬酸盐法（GB11914—1989）法测定，色度采用铂钴比色法（GB11903—1989）测定。
2 结果与讨论
2.1 有无磁化PFS的实验分析
配置1000 mg/L的PFS溶液，设置磁化条件：磁化强度12 mT、磁化频率130 Hz、磁化时间5 min。有无磁化PFS对出水余铁及亚铁含量、pH值的影响如图3所示。由图3可知，磁化组的出水余铁和亚铁含量均低于未磁化组。磁化组出水的余铁含量为0.688 mg/L，比未磁化组余铁含量降低了47.6%；磁化组出水的亚铁含量为0.202 mg/L，比未磁化组亚铁含量降低了53.0%。PFS溶液经过交频磁场磁化后再混凝处理造纸废水，可明显提高混凝处理效果，降低出水的余铁及亚铁含量。PFS溶液中含有易于被磁化的铁磁性物质，磁化装置对PFS溶液进行往复的磁感线切割运动，增加了PFS溶液水解产物中多核聚合物（Feb）的比例，但溶胶态聚合物（Fec）的质量分数降低[10]。其中，Feb是混凝过程中最富活性的有效成分，而Fec为化学惰性、影响混凝效果的水解产物[11-12]；由于交频磁场做磁感线切割运动，使磁场场能转变为PFS粒子的内能，为水解反应提供了能量，促进了PFS粒子与废水中的活性基团、胶体颗粒和部分溶解性物质进行络合和螯合反应，生成更多的Feb，进一步改善聚沉效果。因此，利用交频磁场磁化PFS混凝处理造纸废水，最终出水余铁和亚铁的含量明显低于未磁化组。
有无磁化PFS对出水pH值的影响如图4所示。由图4可知，经磁化作用后，废水样出现酸化现象，pH值降低，出水pH值低于未磁化组。这是由于PFS水解后产生了大量的[Fe4（H2O）6]、[Fe2（H2O）6]、[Fe（OH）2]等多核络合物；此外，交频磁场的作用增加了PFS溶液水解产物中Feb的比例，Feb通过吸附、架桥、交联等作用[13-14]与造纸废水中的胶体微粒凝聚并形成沉淀；PFS水解过程中产生大量Fe3+与Fe2+，磁化作用有利于Fe3+发生水解，生成Fe（OH）3胶体，其反应式：Fe3++3H2O Fe（OH）3+3H+；同时，交频磁场作用有利于Fe2+发生沉淀反应，使Fe2+减少，H+增加，Fe2+沉淀反应式：Fe2++2H2OFe（OH）2+3H+。 2.2 PFS投加量对出水余铁及亚铁含量和pH值的影响
实验中取质量浓度分别为400、600、800、1000、1200 mg/L的PFS溶液，将PFS溶液置于磁化装置中进行磁化，再进行造纸废水混凝实验。设定磁化条件：磁化强度12 mT、磁化频率130 Hz、磁化时间5 min，PFS投加量对出水的余铁及亚铁含量和pH值的影响如图5所示。由图5可知，当PFS投加量大于1000 mg/L时，随PFS投加量的增加，出水的余铁和亚铁含量均增加，出水pH值呈降低趋势；当PFS投加量低于1000 mg/L时，废水处理效果不佳（CODCr和色度达不到工业废水排放标准GB3544—1992）。因此，选择PFS投加量为1000 mg/L较适宜。
2.3 磁化强度对出水余铁及亚铁含量和pH值的影响
PFS投加量为1000 mg/L，设定磁化频率130 Hz、磁化时间5 min，磁化强度对出水余铁及亚铁含量和pH值的影响如图6所示。由图6可知，磁化强度为3～9 mT时，出水的余铁和亚铁含量均逐渐增加，且出水pH值呈降低趋势；当磁化强度增大到12 mT时，出水的余铁和亚铁含量降低；继续增大磁化強度，出水的余铁和亚铁含量呈增加趋势，pH值继续降低。因此，选择磁化强度为12 mT较适宜。
2.4 磁化频率对出水余铁及亚铁含量和pH值的影响
PFS投加量为1000 mg/L，设定磁场强度12 mT、磁化时间5 min，分析磁化频率对出水余铁及亚铁含量和pH值影响，结果如图7所示。由图7可知，随磁化频率的增大，出水的余铁和亚铁含量先增大后减小；当磁化频率为130 Hz时，混凝处理造纸废水的效果最为明显，故选择磁化频率为130 Hz较适宜。
2.5 磁化时间对出水余铁及亚铁含量和pH值的影响
PFS投加量为1000 mg/L，设定交流变频磁场强度12 mT、磁化频率130 Hz，探究磁化时间对出水余铁及亚铁含量和pH值的影响，结果如图8所示。由图8可知，当磁化时间为5 min时，废水处理效果最佳；继续延长磁化时间，出水的余铁和亚铁含量呈增加趋势。因此，选择磁化时间为5 min较适宜。
2.6 有无磁化PFS对废水处理效果的影响
分析有无磁化PFS对造纸废水的余铁及亚铁含量和pH值的影响，实验进一步分析在最佳条件（考虑到CODCr和色度值以及废水处理效果，故选择磁化强度12 mT、磁化频率130 Hz、磁化时间5 min和PFS投加量1000 mg/L）对造纸废水处理效果的影响如图9所示。由图9可知，磁化组PFS处理废水， CODCr去除率和色度去除率均高于未磁化组；磁化组出水的CODCr和色度值分别降至51.3 mg/L，23.18度，而未磁化组出水CODCr和色度值分别为76.1 mg/L和36度；磁化组出水CODCr和色度的去除率分别较未磁化组提高了5.5个百分点和7.1百分点。磁化组出水余铁和亚铁的含量明显低于未磁化组，由此得出磁化作用使PFS混凝剂被充分利用。磁化作用增加了铁盐水解产物中 Feb的比例，Feb为混凝过程中的有效成分，Feb的增加有利于PFS混凝性能的提高。
3 结 论
利用自制磁化装置对聚合硫酸铁（PFS）进行磁化，再对废水进行混凝处理。对比有无磁化PFS对造纸废水余铁及亚铁含量和pH值的影响。
3.1 磁化组PFS混凝处理造纸废水，最终出水的余铁含量比未磁化组降低了47.6%；亚铁含量比未磁化组降低了53.0%；磁化组出水的pH值低于未磁化组。磁化组中PFS充分参与混凝沉淀，最终出水的含铁量低于未磁化组。
3.2 交频磁场磁化PFS的最佳条件为磁化强度12 mT、磁化频率130 Hz、磁化时间5 min且PFS投加量为1000 mg/L；处理废水样，最终出水的余铁含量为0.688 mg/L，亚铁含量为0.202 mg/L，水质呈弱酸性；磁化组的CODCr和色度的去除率分别较未磁化组提高了5.5个百分点和7.1百分点。
3.3 外加交频磁化条件使PFS充分参与混凝过程，大大得到提高了PFS的混凝效果，减少了水质中铁离子带来的“二次污染”。
参 考 文 献
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关键词：造纸废水；聚合硫酸铁；变频磁场；余铁；pH值
中图分类号：X793
文献标识码：A
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1 实 验
1.1 仪器及材料
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盐酸羟胺，邻菲啰啉，乙酸铵，硫酸亚铁胺，乙酸钠，乙酸，浓硫酸，重铬酸钾，硫酸银，硫酸钾，硫酸铁均为分析纯；刚果红试纸。废水样取自盐城某造纸厂经三级混凝沉淀处理后的废水，废水样的余铁0.466 mg/L，亚铁0.216 mg/L，pH值7.6，CODCr=450 mg/L，色度180度。
1.2 实验方法
利用交流变频磁场磁化具有铁磁性的混凝剂PFS，磁场能改变体系中物质内能的特性和物理性质，影响其混凝效果[8-9]。将定量的PFS溶液置于交流变频磁化装置中，进行磁化预处理。将变频磁化预处理后的PFS溶液加入1 L造纸废水中，先以300 r/min的转速快速搅拌30 s，再以100 r/min的转速慢速搅拌15 min。搅拌结束后静置30 min，取上清液进行分析，得到出水中余铁及亚铁含量、pH值、CODCr和色度。磁化混凝实验流程图如图2所示。
磁化聚合硫酸铁混凝处理造纸废水的余铁和pH值变化研究第33卷 第4期
第33卷 第4期磁化聚合硫酸铁混凝处理造纸废水的余铁和pH值变化研究
1.3 分析方法
实验利用数字式pH计测定出水的pH值；出水余铁含量使用邻菲啰啉分光光度法测定，铁标准曲线线性回归方程Y=6.73143X+0.06124，相关系数：r=0.99945。水样COD采用重铬酸盐法（GB11914—1989）法测定，色度采用铂钴比色法（GB11903—1989）测定。
2 结果与讨论
2.1 有无磁化PFS的实验分析
配置1000 mg/L的PFS溶液，设置磁化条件：磁化强度12 mT、磁化频率130 Hz、磁化时间5 min。有无磁化PFS对出水余铁及亚铁含量、pH值的影响如图3所示。由图3可知，磁化组的出水余铁和亚铁含量均低于未磁化组。磁化组出水的余铁含量为0.688 mg/L，比未磁化组余铁含量降低了47.6%；磁化组出水的亚铁含量为0.202 mg/L，比未磁化组亚铁含量降低了53.0%。PFS溶液经过交频磁场磁化后再混凝处理造纸废水，可明显提高混凝处理效果，降低出水的余铁及亚铁含量。PFS溶液中含有易于被磁化的铁磁性物质，磁化装置对PFS溶液进行往复的磁感线切割运动，增加了PFS溶液水解产物中多核聚合物（Feb）的比例，但溶胶态聚合物（Fec）的质量分数降低[10]。其中，Feb是混凝过程中最富活性的有效成分，而Fec为化学惰性、影响混凝效果的水解产物[11-12]；由于交频磁场做磁感线切割运动，使磁场场能转变为PFS粒子的内能，为水解反应提供了能量，促进了PFS粒子与废水中的活性基团、胶体颗粒和部分溶解性物质进行络合和螯合反应，生成更多的Feb，进一步改善聚沉效果。因此，利用交频磁场磁化PFS混凝处理造纸废水，最终出水余铁和亚铁的含量明显低于未磁化组。
有无磁化PFS对出水pH值的影响如图4所示。由图4可知，经磁化作用后，废水样出现酸化现象，pH值降低，出水pH值低于未磁化组。这是由于PFS水解后产生了大量的[Fe4（H2O）6]、[Fe2（H2O）6]、[Fe（OH）2]等多核络合物；此外，交频磁场的作用增加了PFS溶液水解产物中Feb的比例，Feb通过吸附、架桥、交联等作用[13-14]与造纸废水中的胶体微粒凝聚并形成沉淀；PFS水解过程中产生大量Fe3+与Fe2+，磁化作用有利于Fe3+发生水解，生成Fe（OH）3胶体，其反应式：Fe3++3H2O Fe（OH）3+3H+；同时，交频磁场作用有利于Fe2+发生沉淀反应，使Fe2+减少，H+增加，Fe2+沉淀反应式：Fe2++2H2OFe（OH）2+3H+。 2.2 PFS投加量对出水余铁及亚铁含量和pH值的影响
实验中取质量浓度分别为400、600、800、1000、1200 mg/L的PFS溶液，将PFS溶液置于磁化装置中进行磁化，再进行造纸废水混凝实验。设定磁化条件：磁化强度12 mT、磁化频率130 Hz、磁化时间5 min，PFS投加量对出水的余铁及亚铁含量和pH值的影响如图5所示。由图5可知，当PFS投加量大于1000 mg/L时，随PFS投加量的增加，出水的余铁和亚铁含量均增加，出水pH值呈降低趋势；当PFS投加量低于1000 mg/L时，废水处理效果不佳（CODCr和色度达不到工业废水排放标准GB3544—1992）。因此，选择PFS投加量为1000 mg/L较适宜。
2.3 磁化强度对出水余铁及亚铁含量和pH值的影响
PFS投加量为1000 mg/L，设定磁化频率130 Hz、磁化时间5 min，磁化强度对出水余铁及亚铁含量和pH值的影响如图6所示。由图6可知，磁化强度为3～9 mT时，出水的余铁和亚铁含量均逐渐增加，且出水pH值呈降低趋势；当磁化强度增大到12 mT时，出水的余铁和亚铁含量降低；继续增大磁化強度，出水的余铁和亚铁含量呈增加趋势，pH值继续降低。因此，选择磁化强度为12 mT较适宜。
2.4 磁化频率对出水余铁及亚铁含量和pH值的影响
PFS投加量为1000 mg/L，设定磁场强度12 mT、磁化时间5 min，分析磁化频率对出水余铁及亚铁含量和pH值影响，结果如图7所示。由图7可知，随磁化频率的增大，出水的余铁和亚铁含量先增大后减小；当磁化频率为130 Hz时，混凝处理造纸废水的效果最为明显，故选择磁化频率为130 Hz较适宜。
2.5 磁化时间对出水余铁及亚铁含量和pH值的影响
PFS投加量为1000 mg/L，设定交流变频磁场强度12 mT、磁化频率130 Hz，探究磁化时间对出水余铁及亚铁含量和pH值的影响，结果如图8所示。由图8可知，当磁化时间为5 min时，废水处理效果最佳；继续延长磁化时间，出水的余铁和亚铁含量呈增加趋势。因此，选择磁化时间为5 min较适宜。
2.6 有无磁化PFS对废水处理效果的影响
分析有无磁化PFS对造纸废水的余铁及亚铁含量和pH值的影响，实验进一步分析在最佳条件（考虑到CODCr和色度值以及废水处理效果，故选择磁化强度12 mT、磁化频率130 Hz、磁化时间5 min和PFS投加量1000 mg/L）对造纸废水处理效果的影响如图9所示。由图9可知，磁化组PFS处理废水， CODCr去除率和色度去除率均高于未磁化组；磁化组出水的CODCr和色度值分别降至51.3 mg/L，23.18度，而未磁化组出水CODCr和色度值分别为76.1 mg/L和36度；磁化组出水CODCr和色度的去除率分别较未磁化组提高了5.5个百分点和7.1百分点。磁化组出水余铁和亚铁的含量明显低于未磁化组，由此得出磁化作用使PFS混凝剂被充分利用。磁化作用增加了铁盐水解产物中 Feb的比例，Feb为混凝过程中的有效成分，Feb的增加有利于PFS混凝性能的提高。
3 结 论
利用自制磁化装置对聚合硫酸铁（PFS）进行磁化，再对废水进行混凝处理。对比有无磁化PFS对造纸废水余铁及亚铁含量和pH值的影响。
3.1 磁化组PFS混凝处理造纸废水，最终出水的余铁含量比未磁化组降低了47.6%；亚铁含量比未磁化组降低了53.0%；磁化组出水的pH值低于未磁化组。磁化组中PFS充分参与混凝沉淀，最终出水的含铁量低于未磁化组。
3.2 交频磁场磁化PFS的最佳条件为磁化强度12 mT、磁化频率130 Hz、磁化时间5 min且PFS投加量为1000 mg/L；处理废水样，最终出水的余铁含量为0.688 mg/L，亚铁含量为0.202 mg/L，水质呈弱酸性；磁化组的CODCr和色度的去除率分别较未磁化组提高了5.5个百分点和7.1百分点。
3.3 外加交频磁化条件使PFS充分参与混凝过程，大大得到提高了PFS的混凝效果，减少了水质中铁离子带来的“二次污染”。
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