半導(dǎo)體含硅污水：水處理中除硅的8種方法全解析
1 混凝脫硅，混凝脫硅是利用某些金屬的氧化物或氫氧化物對(duì)硅的吸附或凝聚來(lái)達(dá)到脫硅目的的一種物理化學(xué)方法。這是一種非深度脫硅方法，一般的混凝+過(guò)濾可去除60%的膠體硅，混凝+澄清過(guò)濾可去除90%的膠體硅。
1.1 鎂劑脫硅，在實(shí)際的水處理過(guò)程中，常將鎂劑和石灰一起使用以保證脫硅效果。鎂劑脫硅的效果決定于：①pH值：鎂劑脫硅的最佳pH值為10.1～10.3。為保證pH值，有必要在處理系統(tǒng)中加入石灰。石灰不僅有調(diào)節(jié)pH的功能，而且還可以除去部分二氧化硅、暫時(shí)硬度和二氧化碳等。② 混凝劑的用量：采用鎂劑脫硅時(shí)，通常都加混凝劑。適當(dāng)?shù)幕炷齽┛梢愿纳蒲趸V沉渣的性質(zhì)，純水設(shè)備提高除硅效果。一般所用的混凝劑為鐵鹽，其添加量為0.2～0.35 mmol/L。③ 水溫：提高水溫可以加速除硅過(guò)程，并使除硅效果提高。 40 ℃時(shí)出水中殘留硅可達(dá)1 mg/L以下。④ 水在澄清器中的停留時(shí)間：水溫為30 ℃時(shí)，實(shí)際停留時(shí)間應(yīng)＞1 h，40 ℃時(shí)約為1 h，120 ℃時(shí)為20～30 min。⑤ 原水水質(zhì)：原水的硬度大時(shí)對(duì)鎂劑脫硅的效果有利。原水中硅化合物含量對(duì)鎂劑比耗(mgMgO/mgSiO2-3)有影響。鎂劑比耗隨原水硅化合物含量的增加而減少，隨水中膠體硅所占比例的增加而增加，一般在5～20范圍內(nèi)。
1.2 鋁鹽脫硅，決定鋁鹽脫除溶解硅效果的主要條件有：① 溫度：鋁鹽除硅的最適宜溫度為20 ℃。② 接觸時(shí)間：在鋁鹽與含硅水接觸30 min后，大多數(shù)的硅可被吸附脫除。③pH值：最適宜的pH值范圍為8～9。④ 鋁鹽的結(jié)晶狀態(tài)和物理性質(zhì)：鋁鹽沉淀物如果在溶液之外生成，尤其是經(jīng)過(guò)干燥后，其脫硅效果將大為減弱，而鋁鹽的結(jié)晶狀態(tài)對(duì)二氧化硅脫除效果的影響為：AlO(OH)＞Al2O3.3H2O＞Al(OH)3。鋁鹽脫除膠體硅的最佳pH范圍為4.1～4.7，大約40 mol膠體硅僅需1 mol鋁鹽即可。
1.3 鐵鹽脫硅，氫氧化鐵能夠吸附溶解硅，一般認(rèn)為其最有效的pH值為9，且無(wú)定形氫氧化鐵比其晶形的吸附效果更佳。去除1 mg二氧化硅需要硫酸鐵10～20 mg。在常溫時(shí)，以鐵鹽作絮凝劑對(duì)含硅水進(jìn)行處理后，可使水中殘余溶解硅含量降至3～5 mg/L。據(jù)報(bào)道，在水中加入適量的三氯化鐵、鋁酸鈉和氧化鈣處理含硅20 mg/L的水，硅的去除率也可達(dá)70%～80%。
1.4 石灰脫硅，采用熟石灰處理原水，于40 ℃下在除去暫時(shí)硬度和二氧化碳的同時(shí)，還可以除去部分二氧化硅，水中殘留硅含量可降到30%～35%。在110～115 ℃的溫度下采用消石灰對(duì)福建煉油廠鍋爐給水進(jìn)行除硅預(yù)處理，由于生成CaSiO3沉淀的緣故，硅去除率可達(dá)80%。近年來(lái)，水的混凝處理技術(shù)在兩個(gè)方面有了較大進(jìn)展。一方面是注重混凝劑的復(fù)配使用，通過(guò)藥劑的協(xié)同效應(yīng)以求得最佳的混凝沉淀效果。另一方面是一些無(wú)機(jī)高分子混凝劑，如聚鐵、聚鋁三號(hào)等開(kāi)發(fā)成功并已投入工業(yè)應(yīng)用。這些無(wú)機(jī)高分子混凝劑具有適用范圍廣和價(jià)格低的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的鋁鹽和鐵鹽相比，它們免除了水解和聚合反應(yīng)，不僅可以加快混凝過(guò)程，而且還減輕了許多影響混凝效果因素的干擾，脫除硅的效果比較穩(wěn)定。
2 反滲透脫硅，反滲透是自然現(xiàn)象滲透的逆過(guò)程。反滲透可以脫除膠體硅和溶解硅，適于凈化鍋爐補(bǔ)給水，回收部分冷卻塔排污水，純水設(shè)備以及制取超純水。另?yè)?jù)資料［7］，反滲透法的總除鹽效率可達(dá)93%，SiO2可脫除80%。日本專利報(bào)道，對(duì)硅含量為5～20 mg/L的混合水，以滲透膜處理后，其出水硅含量可降至1 mg/L以下。80年代以來(lái)，反滲透已成為鍋爐補(bǔ)給水的一種重要處理方法，常用于離子交換系統(tǒng)之前對(duì)給水進(jìn)行預(yù)脫鹽，以減輕離子交換系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。
3 超濾脫除膠體硅，超濾與反滲透法一樣是以壓力差為推動(dòng)力，將欲處理水在一定壓力作用下經(jīng)過(guò)一個(gè)可讓水和低分子量溶質(zhì)透過(guò)而高分子物質(zhì)、膠體物質(zhì)不能透過(guò)的高分子膜，從而達(dá)到分離的目的。超濾處理所用的膜材料及裝置與反滲透法相似，其分離機(jī)理主要是篩分效應(yīng)。 在采用超濾脫除膠體硅時(shí)，膜孔徑不宜超過(guò)100 nm，否則不能截留所有的膠體硅。有關(guān)試驗(yàn)表明其工作壓力不宜超過(guò)7×104～7×105 Pa。
超濾法沒(méi)有脫鹽能力，對(duì)溶解硅幾乎無(wú)脫除效果。
4 氣浮脫除膠體硅，Cassell等采用微泡浮選的方法進(jìn)行了水處理研究，發(fā)現(xiàn)這一方法對(duì)水中的所有膠態(tài)物質(zhì)均有去除效果。浮選前先用1.0×10-3 mol/L的Al(NO3)3調(diào)漿10 min。捕收劑為月桂酸(濃度為25 mg/L)，起泡劑為乙醇(用量為2.5 mL/L)。除硅效果與pH值緊密相關(guān)，在pH為8～11的范圍內(nèi)，經(jīng)浮選5 min后，膠體硅的脫除率可達(dá)90%以上。另外，鋁鹽的添加也是必不可少的，單獨(dú)的膠體硅無(wú)法浮選。Cassell認(rèn)為微泡浮選成功的關(guān)鍵在于必須滿足以下三個(gè)條件：①添加少量的電解質(zhì)和調(diào)整pH值使膠體顆粒得以聚團(tuán)；②添加合適的捕收劑和起泡劑以形成合乎要求的泡沫層；③氣泡直徑必須在 40～60 μm以下。
5 電凝聚脫硅，電凝聚是利用電化學(xué)方法通過(guò)電極反應(yīng)產(chǎn)生金屬水合物凝聚劑，一定條件下可析出氣泡，通過(guò)凝聚劑的吸附以實(shí)現(xiàn)聚沉，也可通過(guò)氣泡的浮選來(lái)達(dá)到凈水的方法。電凝聚常用于離子交換、電滲析、反滲透除鹽之前，不僅可以有效脫除二氧化硅，而且能除濁、脫色，還能去除水中重金屬離子、藻類和細(xì)菌等，對(duì)去除水中的有機(jī)物質(zhì)也有一定效果。 有報(bào)道采用電凝聚對(duì)硅含量為44 mg/L(其中離子態(tài)的硅含量37.5 mg/L)的原水進(jìn)行脫硅處理后，其出水硅含量可降至大約1～2 mg/L的范圍內(nèi)。另外也有用電凝聚除硅，使硅酸總量由19.2 mg/L下降至1.37 mg/L，膠態(tài)硅酸由3.9 mg/L下降至0.26 mg/L的報(bào)道。某公司引進(jìn)的一套蒸汽鍋爐裝置，其中的水處理工藝采用電凝聚除硅，原水溶解態(tài)二氧化硅5.5 mg/L，膠體態(tài)二氧化硅1～2 mg/L，處理后二氧化硅含量＜0.05 mg/L［8］。在非深度除硅時(shí)，采用電凝聚法效果最為明顯。在鋁和電能消耗量不大的情況下，可使水中的二氧化硅含量降低60%～80%。在深度或完全除硅時(shí)，電凝聚法會(huì)大幅度增加鋁和電能的消耗量，如含有二氧化硅40 mg/L的河水在電流密度2 mA/cm2時(shí)能完全除硅，但耗鋁量高達(dá)50 g/m3，耗電量達(dá)0.6 kW.h/m3。
6 離子交換脫硅，將不同的離子交換床結(jié)合使用，不僅可以達(dá)到很好的軟化和除鹽效果，而且也可以深度除硅，具有很高的處理深度。在離子交換系統(tǒng)中，一級(jí)復(fù)床除鹽出水二氧化硅含量可低于0.5 mg/L，純水設(shè)備再經(jīng)混床處理，出水的硅含量可以控制在0.02 mg/L以下(依環(huán)境溫度的不同在0.005～0.03 mg/L的范圍內(nèi)波動(dòng))。我國(guó)電廠采用的離子交換除鹽系統(tǒng)可以將硅含量由給水3～10 mg/L降至出水為0.005～0.08 mg/L。其指標(biāo)依原水性質(zhì)和處理系統(tǒng)的特點(diǎn)而定。美國(guó)紐約州電力煤氣公司所屬米利肯電站采用一種可移動(dòng)式水處理系統(tǒng)，使全硅含量為3.47 mg/L(溶解硅為1.04 mg/L，膠體硅為2.43 mg/L)的原水通過(guò)該系統(tǒng)的2臺(tái)并聯(lián)強(qiáng)酸型陽(yáng)離子樹(shù)脂交換器和2臺(tái)并聯(lián)強(qiáng)堿型陰離子樹(shù)脂交換器，出水中全硅含量降為0.029 mg/L，膠體硅為0，再經(jīng)大孔陰離子樹(shù)脂處理后，出水全硅含量可降至0.007 mg/L。日本專利公布了一種以氫氟酸飽和的弱堿性陰離子交換樹(shù)脂除去水中硅酸的方法。將含有120 mg/L硅酸(以二氧化硅計(jì))的水通過(guò)該樹(shù)脂，出水中硅酸含量可降至1 mg/L以下。一般認(rèn)為離子交換系統(tǒng)對(duì)于膠體硅無(wú)脫除能力，因而需在此前采用預(yù)處理和預(yù)脫鹽去除懸浮物質(zhì)和膠體物質(zhì)，以防止其污染樹(shù)脂，降低處理系統(tǒng)的效率。
7 阻垢劑抑制硅垢的形成，硅垢阻垢劑是在用水系統(tǒng)中添加化學(xué)藥劑以防止硅化合物從含有過(guò)飽和硅的水溶液中析出的方法。其主要作用表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：延遲沉淀開(kāi)始成垢的時(shí)間，使沉淀在成垢之前就隨流體排出系統(tǒng)之外；使沉淀以懸浮狀態(tài)存在，抑制其附著在管壁和設(shè)備上成垢；在一定的溫度和壓力條件下，完全抑制硅垢的形成。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)硅垢的阻垢劑作了大量的研究并提出了許多不同的配方，其主要的藥劑組分基本上仍未超出現(xiàn)今使用的范圍。阻垢劑總的發(fā)展趨向是向復(fù)合配方發(fā)展，而且要求耐溫性能良好。雖然近10年來(lái)硅垢阻垢劑的試驗(yàn)室工作有了明顯進(jìn)展，但還不能認(rèn)為是突破性的，大多配方在實(shí)用性上還有待改進(jìn)。
8 其他的脫硅或抑垢方法，日本專利報(bào)道了一種在系統(tǒng)內(nèi)連續(xù)或間斷地采用超聲波振動(dòng)來(lái)防止地?zé)崴Y(jié)硅垢的方法。純水設(shè)備其發(fā)現(xiàn)在高純水制備系統(tǒng)中用紫外線和臭氧聯(lián)合處理可以將膠體硅轉(zhuǎn)化為溶解硅而除去。美國(guó)專利發(fā)明了用流態(tài)化的沙床作為晶核來(lái)沉積除去硅的方法。由于以上方法在工業(yè)上尚未得到廣泛應(yīng)用，在此不予詳述。
總之，在工業(yè)用水處理系統(tǒng)中，由于指標(biāo)要求眾多，對(duì)于硅化合物的處理不可能單獨(dú)進(jìn)行，需綜合考慮給水中各種懸浮物質(zhì)，膠體物質(zhì)和溶解的有害氣體、離子的處理效果，以保證系統(tǒng)出水各項(xiàng)指標(biāo)符合工業(yè)生產(chǎn)要求。一般而言，混凝處理的深度較低，很難將出水中硅化合物的含量降至1 mg/L以下。如果用水系統(tǒng)水質(zhì)要求較高，則需在混凝作業(yè)后安排反滲透、電凝聚或離子交換作業(yè)以提高出水質(zhì)量。具體的水處理工藝流程需根據(jù)原水水質(zhì)和不同工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)劣來(lái)選定。純水設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備, 蘭州純水設(shè)備。
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