煤基聚硅酸鋁鐵的制備

鞠彩霞，李鳳剛，李光磊，鄭奉斌，張述成

(棗莊學(xué)院化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院， 山東棗莊　277160)

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煤基聚硅酸鋁鐵的制備

鞠彩霞，李鳳剛，李光磊，鄭奉斌，張述成

(棗莊學(xué)院化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院， 山東棗莊277160)

聚硅酸鋁鐵(PSAF)是一種新型的水溶性高分子電解質(zhì)，屬于復(fù)合型絮凝劑，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域，是目前非常暢銷的污水處理藥劑.煤灰渣為主要原料，提取其中的Si、Al、Fe三種元素進行聚合反應(yīng).通過不斷優(yōu)化焙燒溫度、酸浸溫度、熟化溫度、熟化時間等工藝條件得到效果最佳的聚硅酸鋁鐵絮凝劑，然后進行污水處理評價其效果.

煤灰渣；聚硅酸鋁鐵；絮凝劑；水處理①

0　引言

煤灰渣是燃煤鍋爐排出的主要固體廢棄物和粉煤灰的成分基本一致.T．Ctvrtnickova[1]等用高度靈敏的激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)檢測分析粉煤灰的成分，發(fā)現(xiàn)粉煤灰中SiO2和Al2O3含量約占其重量的70%～80%，其中含Al2O325%左右，還含有少量的Fe2O3、Na2O、K2O、SO3、MgO和CaO等.從溶出性能上看，F(xiàn)e、Ca、Mg部分易溶出，但A1、Si以復(fù)雜的復(fù)鹽玻璃體紅柱石(3Al2O3·SiO2)的形式存在，溶解性較差.粉煤灰作為廢水處理藥劑[2～4]已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生活污水、城市污水、印染廢水、重金屬離子廢水、含氟廢水和造紙廢水的處理凈化過程中.另一方面使用粉煤灰制備水處理藥劑如聚合氯化鋁[5]、聚合氯化鋁鐵[6]、聚合硫酸鐵[7]、聚硫酸鋁鐵[8]、聚硫酸硅酸鐵鋁[9]等絮凝劑的研究很多.而從煤灰渣制備聚硅酸鋁鐵絮凝劑(poly-silicate aluminum ferric，簡稱 PSAF)較少，它是一種新型的水溶性高分子電解質(zhì)，屬于復(fù)合型絮凝劑，具有離子度高、帶的正電荷密度高，產(chǎn)物的水溶性好，分子量適中，因此具有絮凝和消毒的雙重性能[10].以煤灰渣為主要原料配比到一定量的無水碳酸鈉在馬弗爐中進行焙燒、酸浸取、調(diào)節(jié)PH、控制溫度等進行熟化、陳化，最終得到聚硅酸鋁鐵產(chǎn)品.

1　實驗部分

1.1實驗儀器及主要設(shè)備

實驗所用儀器及主要設(shè)備如表為1所示.

1.2實驗藥品

分析用水則是用此自制純水由三級蒸餾儀器蒸餾自制的高純水.實驗用主要試劑：鹽酸、無水碳酸鈉、無水三氯化鋁、三氯化鐵、硅酸鈉、氫氧化鈉、無水硫酸銅等均為分析純.

1.3實驗方法

1.3.1制備

鍋爐房的燃煤灰渣，由于燃燒的不充分性，取得的灰渣在粒度、體積、質(zhì)量、外觀、燃燒完全度等方面都呈現(xiàn)出不規(guī)則性.所以在實驗進行之前首先對取得的灰渣進行了粉碎處理，將灰渣分批次倒入大功率震蕩粉碎機中，將粉碎后的粉煤灰混合在一起，攪拌摻勻，自然狀態(tài)下通風干燥三天，呈現(xiàn)干燥狀態(tài)的粉末備用.用電子天平準確稱取10g煤灰渣于坩堝中，同時加入準確稱取2g無水碳酸鈉[10]，反復(fù)攪拌，充分混勻，再進行焙燒.將焙燒完冷卻至常溫的煤灰渣分別倒入500ml燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻.用量筒量取100ml鹽酸溶液加入煤灰渣中，將燒杯放入已經(jīng)預(yù)熱好的恒溫磁力攪拌器中，攪拌速度控制為600r/min，酸浸完成后取出冷卻至常溫.通過測定計算向酸浸濾液中加入適量的三氯化鐵溶液、三氯化鋁溶液、硅酸鈉溶液，以使Si與Al+Fe的摩爾比為1.5，Al與Fe 摩爾比為1.8[11].三種元素配比完成后常溫下攪拌溶解，置于恒溫磁力攪拌器中1600r/min攪拌熟化.將熟化完成后的聚硅酸鋁鐵溶液于常溫下靜置陳化，陳化時間為24h，陳化完成得到的聚硅酸鋁鐵溶液為棕紅色液體.陳化完成后取8ml聚硅酸鋁鐵液體于表面皿中，60℃下恒溫抽真空干燥8h左右(真空度0.8Mpa)[12]，觀察表面皿中有固體析出且無明顯水珠即可，研磨成細粉末，所得樣品即為棕紅色固體聚硅酸鋁鐵絮凝劑.

表1　主要儀器設(shè)備一覽表

1.3.3原料各元素測定

采用WLY100-2等離子體發(fā)射光譜分析儀測定鋁、硅、鐵三種元素的含量.首先配制標準溶液 ，濃度分別為0mg/L、1mg/L、5mg/L、10mg/L，分別為三種元素建立標準曲線；將煤灰渣酸浸完成過濾后的母液以600r/min的速度在離心機上旋轉(zhuǎn)離心15min，取離心上層液5ml稀釋500倍，做測定用.得出三種元素的在煤灰渣中的含量.

1.3.4紫外可見分光光度計分析

取棗莊學(xué)院墨子樓水池水為污水樣品，紫外可見光光度分析原樣廢水透光率為50.9%，取 500mL 污水樣品，加入 5ml 自制的聚硅酸鋁鐵絮凝劑，在攪拌速度為 100r/min 時，攪拌 2min，靜置沉淀 30min ，取上層清液于石英管中掃描得出處理后的透光率，以此作為聚硅酸鋁鐵絮凝劑絮凝效果的標準.處理后的水樣透光率越高則絮凝劑絮凝效果越好，反之則越差.

2　結(jié)果與討論

焙燒溫度、焙燒時間、酸浸溫度、酸浸時間、聚合PH值等工藝條件下所制備的聚硅酸鋁鐵絮凝劑進行水處理效果測定.以絮凝劑處理過后的污水透光率作為聚硅酸鋁鐵絮凝劑絮凝效果的表征指標，以下各方面因素對聚硅酸鋁鐵絮凝劑絮凝效果的影響結(jié)果均用此透光率[11]表征.

2.1焙燒溫度對聚硅酸鋁鐵絮凝效果的影響

為了得到焙燒溫度對本實驗所制聚硅酸鋁鐵絮凝效果的影響，本次試驗遵照控制變量的原則，控制焙燒溫度梯度依次為750℃、800℃、850℃、900℃、950℃，每組測定三組平行樣，焙燒時間為1h，焙燒完成后用100ml30%的鹽酸溶液置于60℃恒溫水浴中酸浸1h，酸浸完成后冷卻至常溫過濾，分別計算并加入一定量的無水硅酸鈉、無水氯化鋁、三氯化鐵攪拌溶解，確保硅、鋁、鐵三種元素符合相應(yīng)比例，調(diào)節(jié)PH值為1，25℃恒溫下100r/min攪拌熟化2h，熟化完成后室溫下靜置陳化24h.如圖1所示.

圖1　焙燒溫度與被處理污水透光率的關(guān)系曲線圖　　　　2　焙燒時間與被處理污水透光率的關(guān)系曲線

由圖1可以看出，隨著焙燒溫度的逐漸提高，被處理污水的透光率呈現(xiàn)先增后降的走勢，從750℃到800℃隨著溫度的升高被處理污水的透光率是隨之增高的，到800℃時達到最大，為97.888%；當溫度超過800℃，隨著溫度的升高被處理污水的透光率呈現(xiàn)下降趨勢，從800℃到900℃下降最為明顯，900℃以后降低趨勢有所減緩.這說明焙燒溫度為800℃時制備的聚硅酸鋁鐵絮凝劑絮凝效果較好.

2.2焙燒時間對聚硅酸鋁鐵絮凝效果的影響

為了得到焙燒時間對所制聚硅酸鋁鐵絮凝效果的影響，試驗遵照控制變量的原則，控制焙燒時間梯度依次為1.5h、2h、2.5h、3h，每組測定三組平行樣，焙燒溫度為800℃，焙燒完成后用100ml30%的鹽酸溶液置于60℃恒溫水浴中酸浸1h，酸浸完成后冷卻至常溫過濾，分別計算并加入一定量的無水硅酸鈉、無水氯化鋁、三氯化鐵攪拌溶解，確保硅、鋁、鐵三種元素符合相應(yīng)比例，調(diào)節(jié)PH值為1，25℃恒溫下100r/min攪拌熟化2h，熟化完成后室溫下靜置陳化24h.

由圖2可以看出，隨著焙燒時間由1.5h提升至2h，被處理污水的透光率呈線性增長，達到98.388%；當焙燒時間由2h逐漸提升至3h由圖可得被處理污水的透光率并無明顯提升.由于粉煤灰中的硅和鋁元素大多以復(fù)鹽3Al2O3·SiO2的形式存在，很難溶于酸或堿液[12]，當焙燒1.5h時并不能完全打開粉煤灰中的Si-Al鍵，以至于Si、Al溶出率低，導(dǎo)致絮凝效果較差；當焙燒時間超過兩小時，粉煤灰中的Si-Al鍵被最大程度的打開，所表現(xiàn)的絮凝效果較好.所以，在既保證Si、Al溶出率高又保證實驗成本不至太高的情況下，根據(jù)圖2可得制備聚硅酸鋁鐵絮凝劑的最佳焙燒時間為2h.

2.3酸浸濃度對聚硅酸鋁鐵絮凝效果的影響

為了得到酸浸濃度對所制聚硅酸鋁鐵絮凝效果的影響，試驗遵照控制變量的原則，控制酸浸濃度梯度依次為20%、25%、30%、35%，每組測定三組平行樣，800℃溫度下焙燒1h，焙燒完成后分別用100ml鹽酸溶液置于60℃恒溫水浴中酸浸1h，酸浸完成后冷卻至常溫過濾，分別計算并加入一定量的無水硅酸鈉、無水氯化鋁、三氯化鐵攪拌溶解，確保硅、鋁、鐵三種元素符合相應(yīng)比例，調(diào)節(jié)PH值為1，25℃恒溫下100r/min攪拌熟化2h，熟化完成后室溫下靜置陳化24h.

圖3　酸浸濃度與被處理污水透光率的關(guān)系曲線　　　圖4　酸浸溫度與被處理污水透光率的關(guān)系曲線

由圖3可知，隨著鹽酸濃度由20%提升至30%，被處理污水的透光率也隨之升高，且上升幅度較大，當鹽酸濃度達到30%時透光率達到97.888；當鹽酸濃由30%提升至35%時透光率并無明顯增長，由圖3可得在考慮絮凝劑絮凝效果和實驗成本的前提下制備聚硅酸鋁鐵絮凝劑的最佳鹽酸濃度為30%.

2.4酸浸溫度對聚硅酸鋁鐵絮凝效果的影響

為了得到酸浸溫度對所制聚硅酸鋁鐵絮凝效果的影響，試驗遵照控制變量的原則，控制酸浸溫度梯度依次為60℃、80℃、100℃、105℃、110℃，每組測定三組平行樣，800℃溫度下焙燒1h，焙燒完成后用100ml30%的鹽酸溶液置于恒溫水浴中酸浸1h，酸浸完成后冷卻至常溫過濾，分別計算并加入一定量的無水硅酸鈉、無水氯化鋁、三氯化鐵攪拌溶解，確保硅、鋁、鐵三種元素符合相應(yīng)比例，調(diào)節(jié)PH值為1，25℃恒溫下100r/min攪拌熟化2h，熟化完成后室溫下靜置陳化24h.如圖4所示.

由圖4可以看出，隨著酸浸溫度的不斷升高，被處理污水的透光率呈現(xiàn)下降的趨勢，其中在60℃-105℃這段溫度區(qū)間內(nèi)被處理污水的透光率下降較為緩慢，在60℃時透光率最高，為97.888%；在105℃-110℃這段溫度區(qū)間內(nèi)被處理污水的透光率快速下降，在110℃時達到最低，透光率為91.106%.

故由此可得酸浸溫度在60℃時所制備的聚硅酸鋁鐵絮凝劑絮凝效果最好 .

2.5酸浸時間對聚硅酸鋁鐵絮凝效果的影響

為了得到酸浸時間對所制聚硅酸鋁鐵絮凝效果的影響，試驗遵照控制變量的原則，控制酸浸時間梯度依次為1h、1.5h、2h、2.5h、3h，每組測定三組平行樣，800℃溫度下焙燒1h，焙燒完成后用100ml30%的鹽酸溶液置于60℃恒溫水浴中酸浸，酸浸完成后冷卻至常溫過濾，分別計算并加入一定量的無水硅酸鈉、無水氯化鋁、三氯化鐵攪拌溶解，確保硅、鋁、鐵三種元素符合相應(yīng)比例，調(diào)節(jié)PH值為1，25℃恒溫下100r/min攪拌熟化2h，熟化完成后室溫下靜置陳化24h.

由圖5可知，隨著酸浸時間的增加，被處理污水的透光率明顯劃分為兩個階段：在1h-2h區(qū)間內(nèi)透光率呈上升趨勢；在2h-3h區(qū)間內(nèi)透光率呈下降趨勢，并且隨著時間的增長下降趨勢有所增加，在2h時被處理污水的透光率達到最高99.067%，在3h時達到最低97.031%.故由此可以得出當酸浸時間控制為2h時所制備的聚硅酸鋁鐵絮凝劑絮凝效果最好.

2.6聚合反應(yīng)PH值對聚硅酸鋁鐵絮凝效果的影響

為了得到聚合反應(yīng)PH值對所制聚硅酸鋁鐵絮凝效果的影響，試驗遵照控制變量的原則，控制聚合PH值梯度依次為5、4、3、2、1，每組測定三組平行樣，800℃溫度下焙燒1h，焙燒完成后用100ml30%的鹽酸溶液置于60℃恒溫水浴中酸浸1h，酸浸完成后冷卻至常溫過濾，分別計算并加入一定量的無水硅酸鈉、無水氯化鋁、三氯化鐵攪拌溶解，確保硅、鋁、鐵三種元素符合相應(yīng)比例，調(diào)節(jié)PH值，25℃恒溫下100r/min攪拌熟化2h，熟化完成后室溫下靜置陳化24h.

圖5　酸浸時間與被處理污水透光率的關(guān)系曲線　　　圖6　聚合PH值與被處理污水透光率的關(guān)系曲線

由圖6可知，被處理污水的透光率隨聚合PH值的變化波動較大，當PH為1時透光率最大，為97.888，此后，隨著PH的不斷增大，被處理污水的透光率呈現(xiàn)不規(guī)則變化，但透光率總體水平低于PH為1時的透光率，故由此可以得出當聚合PH值為1時制備的聚硅酸鋁鐵絮凝劑絮凝效果最好.

3　總結(jié)

本實驗采用煤渣制備得到聚硅酸鋁鐵絮凝劑，并以所處理的生活污水透光率為指標對其絮凝性能進行了研究.通過對煤灰渣進行預(yù)處理、焙燒、酸浸、熟化、陳化得出聚硅酸鋁鐵絮凝劑產(chǎn)品.通過控制變量的原則，以Na2CO3為助劑，鹽酸溶液為浸出酸，最終確定出煤灰渣制備聚硅酸鋁鐵的最佳工藝條件為：焙燒溫度為 800℃，焙燒時間為2h，m(Na)：m(煤灰渣)為0.2，酸浸溫度為60℃，鹽酸濃度為30%，溶出時間為2h，浸出液 pH為1.0，熟化時間24h，熟化溫度 25℃.此時，處理完廢水的透光率達到最高，可達99.067.

聚硅酸類絮凝劑是一種復(fù)合型絮凝劑，與其復(fù)合的金屬鹽有很多，其中最被人們關(guān)注的是聚硅酸鋁鹽.它同時具有電中和及吸附架橋作用、混凝效果好、成本低、處理后水中殘留鋁含量低，因此引起了水處理界的極大關(guān)注，成為國內(nèi)外無機絮凝劑研究的一個熱點.這其中以聚硅酸鋁鐵絮凝劑處理廢水的效果最為突出.通過應(yīng)用性能研究表明，聚硅酸鋁鐵絮凝劑較普通鋁鹽絮凝劑有更好的除濁效果和脫色率，并且處理低溫低濁水的效果更為明顯[13].其不但具有無機高分子絮凝劑的吸附架橋和電中和作用，也具有有機高分子絮凝劑的卷掃網(wǎng)捕作用，同時具有很好的產(chǎn)品穩(wěn)定性，能充分發(fā)揮鋁鹽絮凝劑的絮體大、脫色性能優(yōu)越，鐵鹽絮凝劑的絮體密實、沉降速度快的優(yōu)點，抵消鋁鹽絮凝劑絮體松散易碎、沉降速度慢；鐵鹽絮凝劑絮體較小、卷掃作用差、處理后水有較深的色度的缺點[14].

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[責任編輯：周峰巖]

The Preparation of Coal-Based Poly-Silicate Aluminum Ferric

JU Cai-xia, LI Feng-gang, LI Guang-lei, ZHENG Feng-bin, ZHANG Shu-cheng

(School of Chemical Engineering and Material Science，Zaozhuang University,Zaozhuang 277160, China)

Poly aluminum ferric silicate (PSAF) is a new type of water soluble polymer electrolyte, which is a composite flocculant, has been widely used in the field of sewage treatment, is currently a very popular sewage treatment agent. The coal ash and slag as the main raw material, the Si, Al, Fe elements were extracted to polymerize reaction. Through the continuous optimization of the calcination temperature, acid leaching process conditions of temperature, curing temperature and curing time effect the best poly aluminum ferric silicate flocculant, and sewage treatment to evaluate its effect.

coal ash residue, poly-silicate aluminum ferric, flocculants, water treatment

2016-07-22

2015年棗莊學(xué)院大學(xué)生SRT項目.

鞠彩霞(1976-)，女，山東文登人，棗莊學(xué)院化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院副教授，工學(xué)碩士，主要從事煤炭轉(zhuǎn)化相關(guān)方面的研究.

TQ536.4

A

1004-7077(2016)05-0139-06