煤矸石酸浸液制備高鋁型聚合硫酸鋁鐵

楊樂浩，孔德順，張魯超

（六盤水師范學(xué)院化學(xué)與化工系，貴州六盤水 553004）

煤矸石酸浸液制備高鋁型聚合硫酸鋁鐵

楊樂浩，孔德順*，張魯超

（六盤水師范學(xué)院化學(xué)與化工系，貴州六盤水 553004）

用煤矸石酸浸液制備了高鋁型聚合硫酸鋁鐵（PAFS），研究了鐵鋁物質(zhì)的量比、pH、聚合時間、聚合溫度對PAFS去濁性能的影響，獲得了制備PAFS的優(yōu)化工藝條件：c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6 mol／L、鐵鋁物質(zhì)的量比為7∶10、pH為0.9、聚合時間為6 h、聚合溫度為80℃、室溫熟化24 h。最后對優(yōu)化工藝條件下的產(chǎn)物進(jìn)行了物相分析。

煤矸石；酸浸液；聚合硫酸鋁鐵；水處理

煤矸石是煤炭開采和加工過程中排放的廢棄物。我國煤矸石產(chǎn)量約為原煤總產(chǎn)量的15%～20%，積存量已逾70億t［1］。六盤水礦區(qū)每年排放煤矸石達(dá)1000萬t［2］。本研究采用煤矸石酸浸液制備了一種高鋁型聚合硫酸鋁鐵（PAFS），并優(yōu)化了制備的工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

六盤水礦區(qū)某煤礦煤矸石，其成分如表1所示。

表1 煤矸石化學(xué)成分Tab le1 Chem ical composition of coal gangue

1.2 試劑及儀器

硫酸鐵、硫酸鋁、硫酸、碳酸鈉等均為分析純；硅藻土為化學(xué)純。

TD-2500型X射線多晶衍射儀（XRD），ARL9900XP＋型 X射線熒光光譜儀（XRF），MP3002型電子天平，HH-S2型數(shù)顯恒溫水浴鍋，JJ-1A型數(shù)顯電動攪拌器，WGZ-1A型濁度計(jì)，pHS-25型pH計(jì)等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 PAFS的制備方法

將煤矸石粉碎至0.0750 mm（200目），在750℃下煅燒2 h后，再在90℃下用30%的硫酸酸浸4 h。酸浸時，液固比為3∶1mg／mL。酸浸后抽濾，得到主要成分為硫酸鋁和硫酸鐵的混合濾液［3］。設(shè)定c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6 mol／L，分別單獨(dú)改變n（Fe3＋）∶n（Al3＋）、pH、聚合溫度、聚合時間進(jìn)行聚合實(shí)驗(yàn)，聚合結(jié)束后室溫熟化24 h，得到系列PAFS產(chǎn)物。

1.3.2 模擬廢水的配制

在攪拌的條件下，向800 mL蒸餾水中加入3 g硅藻土，并調(diào)節(jié)pH＝7.0。

1.3.3 水的處理方法

向800mL模擬廢水中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 的PAFS溶液6mL，在轉(zhuǎn)速為600 r／min下攪拌2 min，然后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為200 r／min，攪拌8min，靜置30min后取上層溶液測其濁度并計(jì)算去濁率，其計(jì)算公式如下：

去濁率＝［（原濁-余濁）／原濁］×100%（1）

其中，原濁為處理前模擬廢水的初始濁度，余濁為處理后水的濁度。

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵鋁物質(zhì)的量比對去濁率的影響

設(shè)定c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6 mol／L，pH＝1.0，分別改變鐵鋁物質(zhì)的量比為0、6∶10、7∶10、8∶10、9∶10，在90℃聚合8 h后室溫熟化24 h，得到系列PAFS產(chǎn)物，分別用產(chǎn)物對模擬廢水進(jìn)行除濁實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖1所示。

圖1 鐵鋁比對去濁率的影響Fig.1 Effect of Fe，A lmolar ratio on the turbidity remove rate

由圖1可見，隨著鐵鋁物質(zhì)的量比的增加，去濁率先升高后降低；在鐵鋁物質(zhì)的量比為7∶10時去濁率最高，為98.4%，這是因?yàn)殍F離子較鋁離子容易聚合；隨著鐵離子所占比例的增大，PAFS整體的聚合度提高，而鐵離子量過高會減弱PAFS的電中和能力，從而降低絮凝效果［4］。所以在一定范圍內(nèi)增加鐵離子的比例有助于提高產(chǎn)物的去濁率，因此確定反應(yīng)體系的鐵鋁物質(zhì)的量比為7∶10。

2.2 pH對去濁率的影響

設(shè)定c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6mol／L，鐵鋁物質(zhì)的量比為7：10，分別改變制備體系pH為0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2，在90℃聚合8h后室溫熟化24h，得到系列PAFS產(chǎn)物，分別用產(chǎn)物對模擬廢水進(jìn)行除濁實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖2所示。

由圖2可見，隨著pH的增大去濁率先升高后降低，在pH＝0.9時去濁率達(dá)到最高（98.5%），這是因?yàn)樵趐H較低時，硫酸鐵和硫酸鋁的水解反應(yīng)受到抑制，降低了PAFS的聚合度，使產(chǎn)物的去濁率下降；而pH較高時，容易生成沉淀，造成鐵鋁離子損失，所以確定反應(yīng)體系pH＝0.9。

圖2 pH對去濁率的影響Fig.2 pH influence on the turbidity remove rate

2.3 聚合時間對去濁率的影響

設(shè)定c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6mol／L，鐵鋁物質(zhì)的量比為7∶10，pH＝0.9，在90℃下分別聚合5h、6h、7h、8h、9h、10h后室溫熟化24h，得到系列PAFS產(chǎn)物，分別用產(chǎn)物對模擬廢水進(jìn)行除濁實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖3所示。

圖3 聚合時間對去濁率的影響Fig.3 Effect of polym erization time on the turbidity remove rate

由圖3可見，隨著聚合時間的增加，去濁率先升高后降低，在聚合時間為6h時最高，去濁率達(dá)到98.9%，這是因?yàn)榫酆蠒r間過短，硫酸鋁與硫酸鐵不能充分聚合，影響 PAFS的穩(wěn)定性以及除濁效果［5］，而聚合時間過長，在水溫較高的條件下，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，導(dǎo)致產(chǎn)物去濁率降低［6］，所以確定聚合時間為6h。

2.4 聚合溫度對去濁率的影響

設(shè)定c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6mol／L，鐵鋁物質(zhì)的量比為7∶10，pH＝0.9，分別改變聚合溫度為50℃、60℃、70℃、80℃、90℃，聚合6 h后室溫熟化24 h，得到系列PAFS產(chǎn)物，分別對模擬廢水進(jìn)行除濁實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖4所示。由圖4可見，在聚合溫度為80℃時，PAFS的去濁率最高，為99.0%，這是因?yàn)檫m當(dāng)提高聚合溫度有利于聚合反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高PAFS的聚合度，但是聚合溫度過高易使反應(yīng)體系產(chǎn)生沉淀，所以確定聚合溫度為80℃。

圖4 聚合溫度對去濁率的影響Fig.4 Effect of tem perature on the turbidity remove rate

3 產(chǎn)物的XRD分析

將在優(yōu)化條件下制備的液態(tài)PAFS產(chǎn)物蒸發(fā)至呈粘稠狀，冷卻凝固后研磨至粉狀，再用X射線多晶衍射儀對其進(jìn)行物相分析，結(jié)果見圖5所示。

由圖5可見，硫酸鐵的衍射峰消失，主要為硫酸鋁及其水合物的衍射峰，強(qiáng)度較低?？梢姡蛩徼F聚合較為完全，硫酸鋁部分聚合，這表明硫酸鐵較硫酸鋁更容易聚合，所得產(chǎn)物為PAFS。

4 結(jié)論

1）煤矸石酸浸液制備PAFS的優(yōu)化工藝條件為：c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6mol／L、鐵鋁物質(zhì)的量比為0.7、pH為0.9、聚合時間為6 h、聚合溫度為80℃，室溫熟化24 h。

2）制備體系中的硫酸鐵全部聚合，硫酸鋁大部分聚合。

圖5 產(chǎn)物的XRD譜圖Fig.5 XRD spectra of products

［1］ 曹建軍，劉永娟，郭廣禮.煤矸石的綜合利用現(xiàn)狀［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2004，5（1）：19 -22.

［2］ 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，2013，45（7）：99-101.

［3］ 孔德順，王茜，宋說講.煤矸石提取鋁鐵元素制備PAFS的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國陶瓷，2014，50（5）：60 -62.

［4］ 王炳建，高寶玉，岳欽艷，等.新型無機(jī)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.

［5］ 鄭懷禮，陳文源，張智，等.無機(jī)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）：114-12.

［6］ 王茜，孔德順.煤矸石酸浸液制取聚硫酸鋁鐵的試驗(yàn)研究［J］.濕法冶金，2014，33（4）：297-300.Preparation Alum inous Type Polymerization Ferric Sulphate from Gangue Acid Infusion

YANG Le-hao，KONG De-shun*，ZHANG Lu-chao

（Department of Chemistry and Chemical Liupanshui normal College，Liupanshui553004，China）

The preparation of polymerization ferric sulfate（PAFS）from high-alumina gangue acid infusion was done，the Fe-Almolar ratio，pH，polymerization time，polymerization effect of temperature on PAFS to cloud performance were studied.Access to the preparation of PAFS optimum conditions were：c （Al3＋＋Fe3＋）＝0.6mol／L，F(xiàn)e-Almolar ratio of7：10，pH 0.9，the polymerization time6h，the polymerization temperature 80℃，room temperature curing 24h.Finally，product phasewere analyzed under optimized process conditions.

gangue；acid leaching；polymerization ferric sulfate；treatment

O635

A

1004-275X（2015）03-0006-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2015.03.002