海外礦拜爾法赤泥制備PACF新工藝

王 鋒，高建陽

（1.上海交通大學(xué)，上海200240；2.中國鋁業(yè)山東分公司，山東淄博255065）

海外礦拜爾法赤泥制備PACF新工藝

王 鋒1，2，高建陽2

（1.上海交通大學(xué)，上海200240；2.中國鋁業(yè)山東分公司，山東淄博255065）

實(shí)驗(yàn)室采用DTA-TG，SEM-EDS等手段對(duì)海外礦拜爾法赤泥合成聚合氯化鋁鐵進(jìn)行了研究，重點(diǎn)試驗(yàn)了原料配比、助劑種類條件，工藝過程影響因素，確定PACF的最佳制備條件，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)室合成的PACF進(jìn)行了混凝對(duì)比，表明采用海外礦拜耳法赤泥合成的PACF濁度去除率高達(dá)92%，略優(yōu)于市售PAC產(chǎn)品混凝效果，此技術(shù)的成功研發(fā)為赤泥綜合利用開辟了一套新的途徑。

拜爾法赤泥；PACF；聚合；混凝

赤泥是以鋁土礦為原料生產(chǎn)Al2O3過程中產(chǎn)生的強(qiáng)堿性固體廢料，生產(chǎn)1tAl2O3約產(chǎn)出赤泥0.8～2.0t，預(yù)計(jì)到2015年，我國赤泥累計(jì)堆存量將達(dá)到3.5億t。中鋁山東分公司采用海外礦生產(chǎn)Al2O3，外排赤泥約240萬t，赤泥的排放和堆存已經(jīng)成為影響企業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，且現(xiàn)有赤泥堆場(chǎng)也已成為企業(yè)重要的危險(xiǎn)源。作者有效利用拜爾法赤泥中的Fe3O4和Al2O3合成制備聚合氯化鋁鐵，既解決了廢赤泥占用大量土地、污染地下水、危害人類健康等問題，又可以制備出混凝劑聚合氯化鋁鐵，達(dá)到赤泥循環(huán)利用的目的。

聚合氯化鋁鐵（PAFC）是無機(jī)高分子混凝劑的一種。該混凝劑既有聚合氯化鋁鹽基度高、形成絮凝體大、對(duì)原水適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),又有聚合氯化鐵密度大、絮體沉降速度快的優(yōu)點(diǎn)，且除色度比聚鐵好，除濁效果和絮體沉降性能優(yōu)于聚鋁，是一種理想的水處理劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

拜爾法赤泥成分見表1。

表1 拜耳法赤泥成分Tab.1 Bayer red mud composition

ZBCX-50型高壓反應(yīng)釜；DZKW-4型電子恒溫水浴鍋（黃驊市新興儀器廠）；VIS-723型分光光度計(jì)（北京分析儀器廠）。

1.2 溶出試驗(yàn)

稱取500g赤泥濾餅（35%水分）+100g A（lOH）3+300mL水打漿，加入到鹽酸溶液中，采用均分試驗(yàn)法分析HCl濃度、加熱溫度及反應(yīng)時(shí)間對(duì)赤泥溶出的影響，并得出最優(yōu)溶出條件并進(jìn)行復(fù)證。

1.3 聚合試驗(yàn)

分別選取Al2CaO4、NaCO3、復(fù)配聚合藥劑3種聚合助劑，加入到750mL溶出液中，合成鹽基度70%的混凝劑，比較混凝劑穩(wěn)定性，選擇最佳聚合藥劑。

使用復(fù)配聚合藥劑采用均分試驗(yàn)法分析聚合溫度、聚合時(shí)間及聚合助劑加入量對(duì)聚合反映的影響，并得出最優(yōu)聚合條件并進(jìn)行復(fù)證。

1.4 混凝試驗(yàn)

作者采用Al2CaO4、Na2CO3及復(fù)配聚合藥劑在最佳聚合條件下制的混凝劑，測(cè)定鹽基度，進(jìn)行混凝試驗(yàn)，并與市售聚合氯化鋁進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)用水使用赤泥懸濁液（濁度176.23ntu）和豬龍河水（濁度56.14ntu）兩種。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶出條件

2.1.1 HCl濃度對(duì)赤泥溶出的影響選取HCl溶液濃度（%）：10、15、20、25、30、36。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 鹽酸濃度對(duì)赤泥溶出的影響Fig.1 Effect of concentration of hydrochloric acid on the leaching of red mud

從圖1可知，HCl濃度較低直接影響赤泥溶出效果，隨著HCl濃度的升高溶出效果明顯，但濃度升高到20%以后溶出效果變化不大，反而會(huì)因HCl濃度過高，導(dǎo)致HCl揮發(fā)，造成有效成分的浪費(fèi)。

2.1.2 反應(yīng)溫度對(duì)赤泥溶出的影響選取加熱溫度（℃）：60、70、80、90、100、110。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)赤泥溶出的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on the leaching of red mud

從圖2反應(yīng)溫度較低時(shí)Fe2O3、Al2O3溶出效果不好，但在溫度高于100℃后，溶出率變化不明顯，部分有害成分的過度溶出影響反而聚合反應(yīng)的效果。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)赤泥溶出的影響選取反應(yīng)時(shí)間（h）：1、1.5、2、2.5、3、3.5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)赤泥溶出的影響Fig.3 Effect of reaction time on the leaching of red mud

從圖3可知反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)赤泥溶出效果不佳，反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，溶出率變化不明顯。

根據(jù)以上試驗(yàn)條件摸索最后得出最優(yōu)適用赤泥溶出條件為：20%HCl、加熱至100℃、反應(yīng)2h。對(duì)該試驗(yàn)條件進(jìn)行復(fù)證實(shí)驗(yàn)得到溶出液，溶出液成分見表2。

表2 溶出液成分Tab.2 Stripping solution composition

2.2 聚合條件

2.2.1 聚合藥劑的選擇80℃反應(yīng)溫度條件下分別將Al2CaO4、NaCO3、復(fù)配聚合藥劑加入到溶出液750mL中，制備鹽基度70%混凝劑，比較混凝劑穩(wěn)定性，見表3。

表3 混凝穩(wěn)定性比較Tab.3 Comparison of coagulation stability

從表3可以看出，現(xiàn)場(chǎng)合成70%鹽基度混凝劑都透明穩(wěn)定，但隨時(shí)間推移，Ca（ClO3）2、碳酸鈉調(diào)整的混凝劑出現(xiàn)不同程度的渾濁現(xiàn)象，存放20d后只有使用復(fù)配聚合藥劑合成的混凝劑表征穩(wěn)定。

2.2.2 聚合溫度對(duì)鹽基度的影響聚合溫度（℃）：60、70、80、90、100、110。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4、5。

圖4 聚合溫度對(duì)混凝劑鹽基度的影響Fig.4 Effect of polymerization temperature on the coagulant of basicity

圖5 聚合溫度對(duì)混凝劑組分及pH值影響Fig.5 Effect of polymerization temperature on coagulant composition and pH

從圖4、5綜合來看，溫度低時(shí)配位反應(yīng)不充分致使聚合液成分中鋁鐵較低。隨著溫度升高鐵鋁聚合度升高，鹽基度升高，但鹽基度超過75%后，冷卻聚合液中會(huì)出現(xiàn)絮狀物，產(chǎn)品不穩(wěn)定。

2.2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚合反應(yīng)的影響反應(yīng)時(shí)間（h）：1、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5，影響因素見表4。

表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚合反應(yīng)的影響Tab.4 Influence of reaction time on the polymerization reaction

從表4可以看出，隨著聚合時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，聚合液中的硅逐步與鐵鋁空位結(jié)合，生成蛋清裝凝膠。

2.2.4 聚合藥劑加入量對(duì)聚合反應(yīng)影響聚合藥劑加入量（g）：150、160、170、180、190、200，加入量影響因素見表5。

表5 加入量對(duì)聚合反應(yīng)的影響Tab.5 Effect of dosage on polymerization

從表5可知，隨著助劑加入量得不斷升高，pH值隨之升高，聚合氯化鋁水解會(huì)生成Al（OH）3形成沉淀。

最后得出最優(yōu)適用條件為：80℃加熱攪拌2h，聚合助劑加入量180g、助劑復(fù)配聚合藥劑。對(duì)該實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行復(fù)證實(shí)驗(yàn)，得到聚合溶液成分見表6。

表6 聚合溶液成分Tab.6 Polymerization solution composition

2.3 混凝對(duì)比試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室使用Al2CaO4、NaCO3、復(fù)配聚合藥劑制備混凝劑對(duì)兩種濁水對(duì)進(jìn)行了混凝評(píng)價(jià)：不同混凝劑對(duì)比見圖6與市售PAC對(duì)比見圖7。

圖6 不同混凝劑對(duì)效果Fig.6 Effect of different coagulants

圖7 與市場(chǎng)銷售PAC混凝效果Fig.7 Sales and marketing of PAC coagulation effect

從圖6、7可看出，合成的聚合氯化鋁鐵混凝效果好，濁度去除率>94%，且高于市售產(chǎn)品。

3 結(jié)論

（1）使用20%HCl加熱至100℃溶出溶出反應(yīng)2h，赤泥中Fe2O3、Al2O3溶出率最高，分別為51.84%、42.3%。

（2）對(duì)Al2CaO4、Na2CO3、復(fù)配聚合藥劑制備混凝劑進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用復(fù)配聚合藥劑制備混凝劑鹽基度最高且最穩(wěn)定，加入復(fù)配聚合藥劑（240g· L-1）加熱至80℃聚合反應(yīng)2h，鹽基度最高到74%，其混凝效果最好，且優(yōu)于市售PAC產(chǎn)品混凝效果。

（3）作者利用拜耳法赤泥研究合成聚合氯化鋁鐵，原具有原料為生產(chǎn)廢料，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品質(zhì)量憂的特點(diǎn)，對(duì)赤泥綜合利用及循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

［1］姚君.用工業(yè)廢渣赤泥制備混凝劑的研究［J］.化學(xué)與生物工程，2009，26（11）：68-70.

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［4］阮復(fù)昌,鄭冀魯,莫炳綠,等.聚鐵溶液pH及鹽酸鹽基度的相交研究［J］.化學(xué)反應(yīng)工程與工藝,2000,16（2）:175-178.

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New process of PACF preparation of overseas mineral bayer red mud system

WANG Feng1，2，GAO Jian-yang2
（1.Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240,China；2.Shandong Corporation of China Aluminum Co.,Ltd, Zibo 255065,China）

The DTA-TG,SEM-EDS and other means of overseas mineral Bayer red mud synthetic polymeric aluminum ferric chloride was studied,on the ratio of raw materials,additives,factors of effect of process,to determine the optimum preparation conditions of PACF,the synthesis of PACF lab for coagulation contrast,showed that the removal rate of up to 92%the overseas mineral Bayer red mud synthetic PACF turbidity,slightly better than the similar commercial PAC products,the effect of coagulation,the successful development of this technology has opened up a new way for the comprehensive utilization of red mud.

Bayer red mud；PACF；polymerization；coagulation

TQ314.253

A

1002-1124（2014）10-0069-04

2014-06-25

王鋒（1982-），男，漢族，工程師，2006年畢業(yè)山東農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，在職攻讀上海交通大學(xué)工業(yè)管理工程碩士研究生，從事赤泥產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)工作。