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硅的吸附或凝聚來達(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+過濾可去除60%的膠體硅，混凝+澄清過濾可去除90%的膠體硅。
1.1 鎂劑脫硅，在實際的水處理過程中，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、暫時硬度和二氧化碳等。② 混凝劑的用量：采用鎂劑脫硅時，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程，并使除硅效果提高。 40 ℃時出水中殘留硅可達(dá)1 mg/L以下。④ 水在澄清器中的停留時間：水溫為30 ℃時，實際停留時間應(yīng)＞1 h，40 ℃時約為1 h，120 ℃時為20～30 min。⑤ 原水水質(zhì)：原水的硬度大時對鎂劑脫硅的效果有利。原水中硅化合物含量對鎂劑比耗(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)過干燥后，其脫硅效果將大為減弱，而鋁鹽的結(jié)晶狀態(tài)對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，以鐵鹽作絮凝劑對含硅水進(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 ℃下在除去暫時硬度和二氧化碳的同時，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，水的混凝處理技術(shù)在兩個方面有了較大進(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。另一方面是一些無機(jī)高分子混凝劑，如聚鐵、聚鋁三號等開發(fā)成功并已投入工業(yè)應(yīng)用。這些無機(jī)高分子混凝劑具有適用范圍廣和價格低的特點(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。另據(jù)資料［7］，反滲透法的總除鹽效率可達(dá)93%，SiO2可脫除80%。日本專利報道，對硅含量為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，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力，將欲處理水在一定壓力作用下經(jīng)過一個可讓水和低分子量溶質(zhì)透過而高分子物質(zhì)、膠體物質(zhì)不能透過的高分子膜，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，膜孔徑不宜超過100 nm，否則不能截留所有的膠體硅。有關(guān)試驗表明其工作壓力不宜超過7×104～7×105 Pa。
超濾法沒有脫鹽能力，對溶解硅幾乎無脫除效果。
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，通過凝聚劑的吸附以實現(xiàn)聚沉，也可通過氣泡的浮選來達(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，對去除水中的有機(jī)物質(zhì)也有一定效果。 有報道采用電凝聚對硅含量為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，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，電凝聚法會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)。我國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。美國紐約州電力煤氣公司所屬米利肯電站采用一種可移動式水處理系統(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)的原水通過該系統(tǒng)的2臺并聯(lián)強(qiáng)酸型陽離子樹脂交換器和2臺并聯(lián)強(qiáng)堿型陰離子樹脂交換器，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脂除去水中硅酸的方法。將含有120 mg/L硅酸(以二氧化硅計)的水通過該樹脂，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)對于膠體硅無脫除能力，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)在以下幾個方面：延遲沉淀開始成垢的時間，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，國內(nèi)外對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年來硅垢阻垢劑的試驗室工作有了明顯進(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，日本專利報道了一種在系統(tǒng)內(nèi)連續(xù)或間斷地采用超聲波振動來防止地?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。美國專利發(fā)明了用流態(tài)化的沙床作為晶核來沉積除去硅的方法。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)劣來選定。武漢純水設(shè)備，工業(yè)超純水設(shè)備，反滲透純水設(shè)備，半導(dǎo)體超純水設(shè)備。
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