改性拜耳法赤泥兩段酸溶法制備聚合氯化鋁鐵研究

孟鐵宏，李春榮，劉仕云

（黔南民族醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，貴州都勻558000）

改性拜耳法赤泥兩段酸溶法制備聚合氯化鋁鐵研究

孟鐵宏，李春榮，劉仕云

（黔南民族醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，貴州都勻558000）

拜耳法赤泥是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁所產(chǎn)生的堿性廢渣，含有大量未被溶出的鋁、鐵等金屬元素，直接筑壩堆存處理既污染環(huán)境又造成資源浪費(fèi)。以改性拜耳法赤泥為原料，采用兩段酸溶法制備高效絮凝劑聚合氯化鋁鐵（PAFC），并對制備的聚合氯化鋁鐵進(jìn)行絮凝性能實驗，結(jié)果表明絮凝效果良好。該法與傳統(tǒng)工藝比較省去了加堿調(diào)節(jié)鹽基度過程，最大程度地利用了鹽酸，節(jié)約了生產(chǎn)成本。該研究為無機(jī)高分子絮凝劑聚合氯化鋁鐵的制備提供了一套新的工藝流程，為解決拜耳法赤泥筑壩堆存所造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題提供了一條新途徑。

改性拜耳法赤泥；兩段溶出法；聚合氯化鋁鐵

拜耳法赤泥是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁所產(chǎn)生的堿性廢渣，當(dāng)前處理的主要途徑是筑壩堆存，不但占用大量土地、污染環(huán)境，而且赤泥中大量的鋁、鐵等資源得不到合理利用，造成資源浪費(fèi)［1-3］。

聚合氯化鋁鐵（PAFC）是一種新型高效無機(jī)高分子混凝劑，其絮凝性能優(yōu)良，已成為當(dāng)前絮凝劑研究的熱點［4］。目前聚合氯化鋁鐵的制備主要是利用煤矸石、鐵礦石、電爐灰或高鐵鈦煤系高嶺巖為原料，經(jīng)粉碎焙燒、鹽酸浸取，然后通過加堿調(diào)節(jié)鹽基度制備符合要求的PAFC產(chǎn)品。筆者以改性拜耳法赤泥為原料，采用兩段酸溶法，制備出無機(jī)高分子絮凝劑聚合氯化鋁鐵。該工藝與傳統(tǒng)工藝相比，不需要加堿調(diào)整鹽基度，最大程度地利用了鹽酸，有效地降低了制備聚合氯化鋁鐵的成本，具有很好的工業(yè)前景。同時，該方法也為解決拜耳法赤泥筑壩堆存所造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題提供了一條新途徑。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

1）改性拜耳法赤泥。制備方法：將拜耳法赤泥和石灰石破碎并粉磨到一定細(xì)度，按一定比例混勻后制塊，在高溫下進(jìn)行燒結(jié)改性，制成改性拜耳法赤泥。將改性拜耳法赤泥破碎粉磨至一定細(xì)度（粒徑大于122μm粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5％），備用。改性拜耳法赤泥主要組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

表1改性拜耳法赤泥組成％

2）工業(yè)鹽酸。

1.2 兩段酸溶法制備PAFC

1）一段酸溶浸取改性拜耳法赤泥中的鋁和鐵。在常壓下，按一定配比將一定濃度的工業(yè)鹽酸、改性拜耳法赤泥粉加入到帶有回流冷卻管的反應(yīng)器中，加熱攪拌，在一定溫度下反應(yīng)一定時間，浸出改性拜耳法赤泥中的鋁和鐵，過濾，濾渣用于提取鈦等其他金屬，濾液用于制備PAFC。

2）二段酸溶制備PAFC。將一段酸溶濾液恒溫至一定溫度，快速攪拌，并按照一定速率再次加入一定量改性拜耳法赤泥，進(jìn)行二段酸溶浸出。隨著改性拜耳法赤泥的加入，一段酸溶濾液pH逐漸升高。當(dāng)體系pH達(dá)到3.5～3.8后，停止加入改性拜耳法赤泥，繼續(xù)恒溫攪拌3～4 h，再次過濾，得到深紅棕色濾液即為PAFC，蒸發(fā)除去水分得到PAFC固體。

1.3 PAFC絮凝性能測試［5］

1）模擬廢水。用黏土配制一定量的懸濁液，靜置48 h，取上層濁液倒人2 000mL容量瓶得到模擬水樣。在6個500mL燒杯中分別加入模擬水樣50mL，并加入去離子水稀釋到500mL。按照鋁鐵的含量將自制的PAFC和市售PAFC配制成相同濃度的液體加入模擬水樣中，依次在120 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌lmin、在60 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌7min，然后靜置沉降15min。在液面下3 cm處取液，用分光光度法在680 nm處測定其濁度，平行實驗3次。

2）生活區(qū)污水。取自貴陽花溪區(qū)某生活區(qū)下水道，外觀呈黑色，有惡臭氣味。取500mL生活區(qū)污水，分別將相同濃度的自制PAFC和市售PAFC加入污水水樣中，依次在120 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌1min、在60 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌7min，然后靜置沉降15min。在液面下3 cm處取液，用分光光度法在680 nm處測定其濁度，平行實驗3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 PAFC的制備工藝參數(shù)

2.1.1 一段酸溶鹽酸濃度對鋁鐵溶出率的影響

在酸溶溫度為95℃、酸溶時間為1.5 h、鹽酸與改性拜耳法赤泥液固體積質(zhì)量比為3mL/g條件下，改變鹽酸濃度進(jìn)行一段酸溶浸出，考察鹽酸濃度對改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3溶出率的影響，實驗結(jié)果見圖1。由圖1可知，A12O3和Fe2O3的溶出率隨著鹽酸濃度的增加而增大，當(dāng)鹽酸濃度達(dá)到6mol/L后，改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3的溶出率增加的幅度變緩。考慮到鹽酸濃度越高揮發(fā)性越大，對生產(chǎn)設(shè)備和環(huán)境的影響越大，故確定鹽酸濃度為6mol/L。

圖1 鹽酸濃度對鋁鐵溶出率的影響

2.1.2 一段酸溶液固比對鋁鐵溶出率的影響

在鹽酸濃度為6mol/L、酸溶溫度為95℃、酸溶時間為1.5 h的條件下，考察鹽酸與改性拜耳法赤泥的體積質(zhì)量比（簡稱液固比，mL/g）對改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3溶出率的影響，實驗結(jié)果見圖2。由圖2知，改性拜耳法赤泥中氧化鋁和全鐵的溶出率隨著鹽酸用量的增加而增大，當(dāng)液固比超過3mL/g時，改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3的溶出率基本保持不變，而多余的鹽酸增加了二段酸溶制備PAFC調(diào)節(jié)pH的難度。故確定鹽酸與改性拜耳法赤泥的液固比為3mL/g。

圖2 液固比對鋁鐵溶出率的影響

2.1.3 一段酸溶溫度對鋁鐵溶出率的影響

在鹽酸濃度為6mol/L、鹽酸與改性拜耳法赤泥液固比為3mL/g、酸溶時間為1.5 h的條件下，考察酸溶溫度對改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3溶出率的影響，實驗結(jié)果見圖3。由圖3可知，改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3的溶出率隨著溶出溫度的增加而增大，當(dāng)溫度超過95℃時溶出率增幅減小。當(dāng)溫度超過95℃時鹽酸揮發(fā)嚴(yán)重，造成原料浪費(fèi)，惡化生產(chǎn)環(huán)境，增加生產(chǎn)成本；而當(dāng)溫度太低時，改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3的溶出率較低。綜合考慮確定酸溶溫度為95℃。

圖3 酸溶溫度對鋁鐵溶出率的影響

2.1.4 一段酸溶時間對鋁鐵溶出率的影響

在鹽酸濃度為6mol/L、鹽酸和改性拜耳法赤泥液固比為3mL/g、酸溶溫度為95℃條件下，考察酸溶浸出時間對改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3溶出率的影響，實驗結(jié)果見圖4。由圖4可知，A12O3和Fe2O3的溶出率隨著酸溶時間的增加而增大，當(dāng)酸溶時間達(dá)到1.5 h時，繼續(xù)增加酸溶時間對改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3溶出率的影響不大，而且繼續(xù)增加溶浸時間，體系中生成的硅膠明顯增多，導(dǎo)致過濾分離困難。故實驗確定浸出時間為1.5 h。

圖4 酸溶時間對鋁鐵溶出率的影響

2.1.5 一段酸溶實驗條件的確定

經(jīng)過單因素實驗確定一段酸溶工藝的優(yōu)化參數(shù)：鹽酸濃度為6mol/L，鹽酸與改性拜耳法赤泥的液固體積質(zhì)量比為3 mL/g，酸溶溫度為95℃，反應(yīng)時間為1.5 h。在優(yōu)化條件下，改性拜耳法赤泥中A12O3的溶出率為79.85％，F(xiàn)e2O3的溶出率為83.48％。

2.1.6 二段酸溶對PAFC鹽基度的影響

將一段酸溶濾液在攪拌中調(diào)節(jié)到設(shè)定溫度，逐漸加入改性拜耳法赤泥，考察濾液和二段加入的改性拜耳法赤泥的液固體積質(zhì)量比（mL/g）對PAFC鹽基度及二段加入的改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3溶出率的影響，實驗結(jié)果見圖5。

圖5 二段酸溶液固比對改性拜耳法赤泥鋁、鐵溶出率和PAFC鹽基度的影響

由圖5可知，在二段溶出過程中，PAFC的鹽基度隨著濾液與改性拜耳法赤泥液固比的減小而增大，當(dāng)液固比減到3mL/g時鹽基度已經(jīng)達(dá)到70％，再繼續(xù)減小液固比鹽基度基本保持不變；二段加入的改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3的溶出率隨著液固比的減小而減小，當(dāng)液固比減到3mL/g以后，改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3的溶出率減小幅度變緩。這表明，當(dāng)液固比小于3mL/g時，濾液中的鹽酸已無法有效溶出改性赤泥中A12O3和Fe2O3，如再繼續(xù)減小液固比，會因為改性拜耳法赤泥中鋁、鐵無法溶出而造成鋁、鐵資源的浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本。綜合考慮確定二段酸溶濾液和改性拜耳法赤泥的液固比為3mL/g。

2.2 產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)和結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 自制PAFC質(zhì)量指標(biāo)

自制PAFC產(chǎn)品為棕黃色固體，密度＞1.80 g/cm3，pH（1％水溶液）為3.5～5.0，鹽基度＞45％，w（Al）＞ 30％，w（Fe3+）＞1.0％，w（Fe2+）＜0.09％。

2.2.2 PAFC紅外譜圖表征

將自制PAFC產(chǎn)物烘干研磨，采用170SX型傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行定性測定。用溴化鉀作母質(zhì)壓片，掃描范圍為400～4 000 cm-1。聚合氯化鋁鐵紅外光譜圖見圖6。

圖6 自制PAFC紅外光譜圖

由圖6可知，吸收峰的波數(shù)在3 420～3 435 cm-1處為Al—OH、Fe—OH、H—OH 3種羥基伸縮振動的迭加；吸收峰的波數(shù)在1 630～1 645 cm-1處為Al—OH、Fe—OH與配位水H—OH中羥基的作用峰，1 401.99 cm-1處的中等強(qiáng)度的吸收峰為橋鍵—OH中的O受到不同電負(fù)性Fe和Al的不對稱吸引產(chǎn)生彎曲振動偶合而分形所致［1］；400～1 150 cm-1處的吸收峰是由Fe—O—Fe、Al—O—Al的伸縮振動產(chǎn)生，吸收峰在975.95、603.70 cm-1等處的弱吸收峰與文獻(xiàn)［6］報道的紅外光譜圖基本一致，表明實驗制備的產(chǎn)品為PAFC。

2.3 絮凝性實驗結(jié)果

對實驗制備的PAFC與市售的PAFC進(jìn)行絮凝性實驗，絮凝效果比較見表2。由表2可知，在相同濃度和相同條件下，使用自制PAFC和市售PAFC處理自制模擬廢水和生活污水，在濁度去除效果方面性能相當(dāng)，自制PAFC具有優(yōu)良的絮凝性能，在污水處理方面具有良好的發(fā)展前景。

表2 自制與市售PAFC絮凝效果比較

3 結(jié)論

采用拜耳法赤泥改性兩段溶出法制備PAFC，與傳統(tǒng)工藝相比省去了加堿調(diào)節(jié)鹽基度過程，簡化了工藝流程，節(jié)約了生產(chǎn)成本，同時，自制PAFC的絮凝性能與市售PAFC性能相當(dāng)，具有良好的絮凝沉降能力。該法不但可以解決拜耳法赤泥筑壩堆存所造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題，為其綜合利用開辟了一條新的途徑，同時也為無機(jī)高分子絮凝劑PAFC的制備提供了新的原料來源，具有良好的市場前景和社會效益。

［1］胡賀松，彭振斌，陳安.平果鋁平南赤泥堆場巖溶地質(zhì)問題與防治技術(shù)［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2009，17（1）：133-137.

［2］孟鐵宏，胡兆平，朱云勤，等.拜耳法赤泥改性-凝膠法制備聚合氯化鋁鐵研究［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2009，41（6）：54-56.

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［4］Ma Fang，Meng Lu，Pang Changlong，et al.Pilot scale treatment of low turbidity water using compound bioflocculant and polymefized aluminum ferrum chloride［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2009，16（3）：441-444.

［5］孔愛平，王九思，劉劍，等.復(fù)合絮凝劑聚合氯化鋁鐵的制備及其對黃河水的絮凝作用［J］.石油技術(shù)與應(yīng)用，2008，26（6）：574-576.

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源化工技術(shù)和天然藥物化學(xué)。

聯(lián)系方式：mengtiehong19850@163.com

Study on preparation of PAFC from modified Bayer redmud by two stage acid leaching

Meng Tiehong，LiChunrong，Liu Shiyun
（Qiannan MedicalCollege for Nationalities，Duyun 558000，China）

The Bayer redmud is alkaline residue from alumina production by Bayermethod.It contains a lot of aluminum，iron，and othermetal elements which were not leached.It pollutes the environment and wastes resources to deal with dam stockpiling.High efficient flocculantpolymeric aluminum ferric chloride（PAFC）was prepared by two the stage acid leaching method with themodified Bayer redmud as rawmaterials.Flocculation experiment results of PAFC showed that the product had better flocculating effect.Compared with traditional craft the new techniquewhich omitted the processofadding alkali to regulate the basicity，made full use of hydrochloric acid and saved the cost of producing the PAFC.This study of inorganic polymer flocculant PAFC preparation provided a new process to resolve the environmental pollution and resource waste caused by the Bayer redmud dammingup.

modified Bayer redmud；twostageacid leaching；PAFC

TQ138.1；133.1

A

1006-4990（2014）09-0068-04

2014-03-19

孟鐵宏（1985—），男，碩士研究生，講師，研究方向為資

崔化材料