煤矸石酸浸液制備聚硫酸鋁鐵的試驗研究

王 茜，孔德順

（六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程系，貴州 六盤水 553004）

在煤礦建設(shè)和煤炭生產(chǎn)過程中排出大量煤矸石，僅貴州六盤水礦區(qū)每年產(chǎn)出煤矸石達1 000萬t［1－2］。六盤水礦區(qū)的煤矸石具有高鐵低鋁的特點，處理后可用于制備無機高分子絮凝劑聚硫酸鋁鐵（PAFS）。聚硫酸鋁鐵是一種復(fù)合絮凝劑，兼具鐵鹽沉降快、鋁鹽凈水效果好的優(yōu)點，并且克服了鐵鹽殘余色度大、過量鋁鹽使用后殘留于水中危害性大的不足［3－4］。用煤矸石制備PAFS可實現(xiàn)煤矸石的資源化利用，同時也降低生產(chǎn)PAFS的原料成本，具有很好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

試驗研究了用六盤水礦區(qū)的煤矸石制備PAFS，并考察了不同條件下制備的PAFS處理高嶺土模擬廢水的效果。

1 試驗部分

1．1 試驗原料

六盤水礦區(qū)煤矸石經(jīng)粉碎、850℃下煅燒3h后，其化學(xué)成分見表1。煤矸石中鋁鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20．91%、14．31%。對煤矸石煅燒粉以硫酸浸出，鐵浸出率達98．6%，鋁浸出率達80%以上，鋁和鐵的總浸出率達86．93%［5］，浸出液滿足制備PAFS的要求。

表1 六盤水礦區(qū)煤矸石化學(xué)成分 %

1．2 試劑及儀器設(shè)備

試驗所用試劑有硫酸、硫酸鋁、硫酸鐵、碳酸鈉、氫氧化鈉，均為分析純；以及高嶺土，蒸餾水，市政自來水。

試驗所用設(shè)備有ARL9900XP＋型X射線熒光光譜儀，TD－2500型X射線多晶衍射儀，分析天平，HH－S2型數(shù)顯恒溫水浴鍋，JJ－1A型數(shù)顯電動攪拌器，pHS－25型酸度計，WGZ－1A型濁度計。

1．3 PAFS的制備

向煤矸石煅燒粉中加入一定濃度的硫酸溶液，攪拌浸出一定時間后過濾，濾液用硫酸鋁和硫酸鐵調(diào)整鐵鋁物質(zhì)的量比，用1．0mol／L Na2CO3溶液調(diào)pH，然后在一定溫度水浴中聚合反應(yīng)一段時間。聚合反應(yīng)結(jié)束后，室溫下熟化一段時間，即得到產(chǎn)品PAFS。

1．4 高嶺土模擬廢水的配制與濁度測試

取3g高嶺土和800mL自來水，在燒杯中攪拌均勻，用濁度計測定其初始濁度。

向燒杯中加入0．5mL質(zhì)量濃度為10g／L的PAFS溶液，用1．0mol／L NaOH溶液調(diào)節(jié)體系pH為7．0，然后以300r／min的攪拌速度攪拌1min，再以150r／min的攪拌速度攪拌2min，最后以50r／min的攪拌速度攪拌5min，之后靜置沉降一定時間后測定上清液濁度。

2 試驗結(jié)果與討論

2．1 體系pH對制備PAFS的影響

調(diào)節(jié)體系n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5，控制水浴溫度為80℃，聚合時間為6h，之后室溫下熟化24h。

聚合反應(yīng)過程中，當(dāng)體系pH高于0．8時生成黃色沉淀物，其XRD圖如圖1所示?？梢钥闯觯S色沉淀物中含有一定量鐵和鋁，PAFS純度較低；而pH較低時，氫離子濃度過高，硫酸鐵和硫酸鋁的水解反應(yīng)受到抑制，聚合反應(yīng)速率較低，不利于PASF的形成。反應(yīng)式如下：

從避免產(chǎn)生沉淀角度考慮，確定體系pH以0．8為宜。

圖1 黃色沉淀物的XRD圖

2．2 PAFS鐵鋁物質(zhì)的量比對廢水去濁率的影響

在pH＝0．8、聚合溫度為80℃、聚合時間為6h、室溫下熟化24h條件下，在不同的鐵鋁物質(zhì)的量比n（Fe2O3）／n（Al2O3）條件下制備PAFS，并用所制備的PAFS處理高嶺土廢水（靜置沉降30min），試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 鐵鋁物質(zhì)的量比對PAFS去濁率的影響

由圖 2 看出：隨 PAFS 中n（Fe2O3）／n（Al2O3）增大，廢水濁度去除率增大；鐵鋁物質(zhì)的量比為0．5時，廢水濁度去除率達97．1%；繼續(xù)提高鐵鋁物質(zhì)的量比，廢水濁度去除率反而減小。這是因為隨鐵用量增加，PAFS聚合度提高；而鐵用量過高會減弱PAFS的電中和能力，從而降低絮凝效果［6］；鋁含量過高，形成的絮體明顯變得松散易碎，以致沉降速率下降，去濁率降低。綜合考慮，鐵鋁物質(zhì)的量比以0．5為宜。

2．3 PAFS聚合溫度對廢水去濁率的影響

在pH＝0．8、n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5、聚合時間為6h、室溫下熟化24h條件下，在不同溫度下制備PAFS，并以所制備的PAFS處理高嶺土廢水（靜置沉降時間為30min），試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 PAFS聚合反應(yīng)溫度對廢水去濁率的影響

由圖3看出：隨PAFS聚合溫度升高，廢水濁度去除率增大；當(dāng)聚合溫度為80℃時，所制備的PAFS對廢水的去濁率達97．3%；繼續(xù)提高聚合溫度，廢水去濁率反而略有下降。提高聚合反應(yīng)溫度有利于硫酸鋁和硫酸鐵聚合反應(yīng)的進行，也有利于PAFS聚合度提高，進而對廢水處理效果更好。但聚合溫度不宜過高，因為溫度過高時會促進聚合反應(yīng)過程中產(chǎn)生沉淀，從而降低PAFS對廢水的處理效果。綜合考慮，確定PAFS聚合反應(yīng)溫度以80℃為宜。

2．4 PAFS聚合時間對廢水去濁率的影響

在pH＝0．8、n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5、聚合溫度為80℃、室溫下熟化24h條件下，聚合反應(yīng)不同時間，以所制備的PAFS處理高嶺土廢水（靜置沉降30min）。不同聚合時間條件下制備的PAFS對高嶺土廢水的處理效果如圖4所示。

圖4 PAFS聚合時間對廢水去濁率的影響

由圖4看出：聚合反應(yīng)6h得到的PAFS對高嶺土廢水的去濁率為97．7%；隨聚合反應(yīng)時間延長，廢水濁度去除率逐漸降低，說明制備PAFS時聚合反應(yīng)時間不宜過長，因為聚合時間過長，在水熱溫度較高條件下，生成的PAFS會有部分發(fā)生解聚反應(yīng)，使得PAFS的聚合度降低，進而影響到與高嶺土形成的絮狀物變得細小，沉降速率減緩，從而使去濁率降低。綜合考慮，確定制備PAFS的聚合反應(yīng)時間以6h為宜。

2．5 PAFS熟化時間對廢水去濁率的影響

熟化時間是指PAFS產(chǎn)品制得后的陳放時間。熟化過程中，PAFS內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，發(fā)展為更加穩(wěn)定的狀態(tài)。對在pH＝0．8、n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5、聚合反應(yīng)溫度為80℃、聚合反應(yīng)時間為6h條件下制備的PAFS熟化不同時間，并分別用于處理高嶺土廢水（靜置沉降30 min）。熟化不同的PAFS對高嶺土廢水的處理效果如圖5所示。可以看出：隨熟化時間延長，PAFS對高嶺土廢水濁度去除率逐漸增大；熟化24h時，PAFS對廢水濁度去除率達97%；繼續(xù)延長熟化時間，廢水去濁率變化趨勢漸緩。這說明熟化時間對PAFS聚合度有明顯影響；但熟化24h后，聚硫酸鋁鐵的結(jié)構(gòu)已較穩(wěn)定，且具有較高的去濁效果：所以，從去濁效果及制備周期角度考慮，熟化時間確定為24h。

圖5 熟化時間對PAFS去濁率的影響

2．6 沉降時間對廢水濁度去除率的影響

用在pH＝0．8、n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5、聚合溫度80℃、聚合時間6h、室溫下熟化24h條件下制備的PAFS處理高嶺土廢水，考察沉降時間對廢水濁度去除率的影響，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 沉降時間對廢水濁度去除率的影響

由圖6看出：隨沉降時間延長，廢水濁度去除率逐漸增大；當(dāng)沉降30min時，濁度去除率達97．7%；沉降60min時，濁度去除率為98．9%；再繼續(xù)延長沉降時間，廢水濁度去除率變化不大。這說明延長沉降時間有利于PAFS與廢水中的細小顆粒絮凝，但超過一定時間后，PAFS聚合度已趨于穩(wěn)定，不再受沉降時間的影響。因為在絮凝沉降過程中，PAFS與水中分散的顆粒物首先形成細小松散的絮狀物，足夠的沉降時間可以使此絮狀物能夠充分聚集生長為粗大結(jié)實的絮狀物，從而可提高去濁效果。綜合考慮，沉降時間為30min即可。

3 結(jié)論

六盤水地區(qū)的煤矸石通過煅燒、酸浸、配料、聚合、熟化工藝可以制備聚硫酸鋁鐵（PAFS），所制備的PAFS用于處理高嶺土模擬廢水，具有良好的去濁效果。本研究對于煤矸石的高附加值開發(fā)利用提供了一條新思路。

［1］孔德順，李志，李琳，等．六盤水礦區(qū)煤矸石理化性質(zhì)及資源化利用分析［J］．煤炭工程，2013（7）：99－101．

［2］胡江良，楊亞玲，連明磊，等．用鋼渣煤矸石基聚合氯化鋁鐵絮凝劑處理洗煤廢水試驗研究［J］．濕法冶金，2013，32（2）：113－116．

［3］鄭懷禮，陳文源，張智，等．無機高分子復(fù)合混凝劑聚合硫酸鋁鐵的制備與應(yīng)用［J］．重慶大學(xué)學(xué)報，2013，36（7）：114－120．

［4］劉峙嶸，方裕勛，艾衛(wèi)青，等．聚合硫酸鋁鐵的制備及其活性成分分析［J］．濕法冶金，2002，21（4）：191－194．

［5］孔德順，吳紅．煤矸石除雜及堿融活化制取硅酸鈉的實驗研究［J］．無機鹽工業(yè)，2013，45（8）：42－44．

［6］王炳建，高寶玉，岳欽艷，等．新型無機高分子復(fù)合絮凝劑聚合硅酸鋁鐵絮凝效果研究［J］．山東大學(xué)學(xué)報：理學(xué)版，2003（12）：111－115．