從沉釩廢水中回收鋁制備納米氫氧化鋁的研究

職紅濤，馬楠楠，馮 修，段建榜，張 翔

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001）

納米氫氧化鋁是一種優(yōu)良的無機(jī)阻燃劑，具有阻燃、消煙和填充功能；納米氫氧化鋁化學(xué)性質(zhì)不活潑，在燃燒過程中不產(chǎn)生有毒氣體、不造成二次污染，因此在橡膠制品、電線電纜、日用品及其他領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用［1-4］。此外，納米氫氧化鋁的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)使其在催化劑、免疫佐劑等方面也有利用［5-6］。沉釩廢水所含的金屬離子中Al3+含量較高，為使Al3+重復(fù)利用并避免沉釩廢水直接排放造成環(huán)境污染，筆者主要研究從沉釩廢水中回收鋁制備納米氫氧化鋁［7-8］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

沉釩廢水來自某釩礦。將沉釩廢水預(yù)處理，處理后的廢水中各離子含量見表1。

表1 預(yù)處理后的沉釩廢水中主要成分及含量

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

沉釩廢水中鋁、釩、亞鐵離子含量較高，為分離這3種離子，加入氫氧化鈉溶液使其生成氫氧化物沉淀，利用 Al（OH）3和 VO（OH）2可溶于強(qiáng)堿而 Fe（OH）2不溶于強(qiáng)堿的性質(zhì)，調(diào)節(jié)溶液pH沉淀出Fe2+。然后加雙氧水，將分離Fe2+后廢水中的釩氧離子（VO2+）氧化為釩酸根（VO），利用VO在廢水pH=5時(shí)不沉淀的性質(zhì)，將廢水中Al3+轉(zhuǎn)化為Al（OH）3沉淀分離。將得到的Al（OH）3所附著的VO去除，進(jìn)一步精制成納米氫氧化鋁。最后將納米氫氧化鋁做分散處理，以消除納米粉體的團(tuán)聚現(xiàn)象［9-10］。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe2+的去除

取5份100mL廢水，在常溫下加入10 mol/L的氫氧化鈉溶液，將廢水中的鋁、釩、亞鐵離子轉(zhuǎn)化為沉淀。繼續(xù)滴加氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)廢水pH分別為10、11、12、13、13.5，攪拌 20 min，考察 pH 對(duì)鐵沉淀率、鋁和釩溶解量的影響，結(jié)果見圖1。由圖1可知，不同pH條件下沉釩廢水中Fe（OH）2沉淀率均在99.4%以上，而 Al（OH）3和 VO（OH）2溶解量隨 pH 增大而升高，并在pH達(dá)到13以后溶解量穩(wěn)定，鋁和釩的溶解量分別為90%、92%左右。因此溶液最佳pH為13。

圖1 pH對(duì)鐵沉淀率、鋁和釩溶解量的影響

2.2 VO的去除

加入雙氧水將去除Fe2+后廢水中的VO2+氧化為VO，然后用鹽酸調(diào)節(jié)pH為5左右，氫氧化鋁開始沉淀并有部分VO附著，將氫氧化鋁膠體離心提取、烘干。對(duì)氫氧化鋁進(jìn)行精制，考察納米氫氧化鋁精制過程中氨水質(zhì)量濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)釩酸根去除的影響。

1）氨水質(zhì)量濃度的影響。取6份3 g的氫氧化鋁，加入到氨水質(zhì)量濃度分別為 3、6、12、25、50、100 g/L的溶液中，反應(yīng)溫度為50℃，攪拌時(shí)間為60 min，考察氨水質(zhì)量濃度對(duì)VO去除率的影響，結(jié)果見圖2。從圖2看出，在氨水質(zhì)量濃度較低時(shí)，VO去除率隨著氨水質(zhì)量濃度的升高而迅速增大；在氨水質(zhì)量濃度達(dá)到25 g/L后，VO去除率穩(wěn)定在95%左右。這是因?yàn)?，氨水溶液中?huì)電離出OH-、NH等離子，這些離子起到電解質(zhì)的作用并破壞氫氧化鋁膠體，使膠體對(duì)VO的吸附作用減弱，而且NH與VO反應(yīng)生成多聚釩酸鹽溶于熱水中。因此，氨水質(zhì)量濃度選擇25 g/L。

2）溫度的影響。取7份3 g的氫氧化鋁，加入到氨水質(zhì)量濃度為25 g/L的溶液中，反應(yīng)溫度分別控制為 10、20、30、40、50、60、70 ℃，攪拌時(shí)間為 60 min，考察溫度對(duì)VO去除率的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可知，在50℃之前，VO去除率隨溫度的升高而增長(zhǎng)迅速；當(dāng)溫度升高至50℃時(shí)，VO去除率達(dá)到94.2%；溫度繼續(xù)升高，VO去除率增長(zhǎng)幅度較小。這是因?yàn)?，溫度升高不僅加快了體系的反應(yīng)速度，而且破壞了氫氧化鋁膠體。溫度越高，膠體能量越大，膠體運(yùn)動(dòng)加劇，相互間碰撞機(jī)率增大，氫氧化鋁膠核對(duì)VO的吸附力就會(huì)降低，則氫氧化鋁的純度提高。故反應(yīng)溫度選擇50℃。

圖3 溫度對(duì)釩酸根去除率的影響

3）反應(yīng)時(shí)間的影響。取7份3 g的氫氧化鋁，加入到氨水質(zhì)量濃度為25 g/L的溶液中，反應(yīng)溫度為50 ℃，控制攪拌時(shí)間分別為 10、12、20、25、30、35、40 min，考察攪拌時(shí)間對(duì)VO去除率的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知，在30 min前，VO去除率隨著時(shí)間的增加而增長(zhǎng)迅速；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)，VO43-去除率達(dá)到97.7%；繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間，VO43-去除率增長(zhǎng)幅度較小。因此，反應(yīng)時(shí)間選擇30 min。然后通過對(duì)氫氧化鋁粉體進(jìn)行分散處理消除其團(tuán)聚現(xiàn)象后，最終得到純度為97.3%的氫氧化鋁。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)釩酸根去除率的影響

2.3 表征

1）IR分析。對(duì)制備的氫氧化鋁進(jìn)行紅外光譜（IR，Varian800）分析，結(jié)果見圖 5。 由圖 5可知，3 440 cm-1處的吸收峰為吸附水和OH基變形振動(dòng)的加和，1 520 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)吸附水的變形振動(dòng)，1 370 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)OH基的面內(nèi)彎曲振動(dòng)，1 050 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)OH基變形振動(dòng)，621 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)Al—O的伸縮振動(dòng)，由此判定樣品為氫氧化鋁。

圖5 氫氧化鋁IR圖

2）SEM分析。對(duì)制備的氫氧化鋁進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-6701）分析，結(jié)果見圖6。由圖6看出，氫氧化鋁粒子呈球形，分布較均勻，平均粒徑為40 nm左右，表明最終制備的樣品為納米級(jí)氫氧化鋁。

圖6 氫氧化鋁SEM照片

3 結(jié)論

1）在常溫下，向沉釩廢水中加入氫氧化鈉溶液，鋁、釩、亞鐵離子轉(zhuǎn)化為氫氧化物沉淀。調(diào)節(jié)廢水 pH=13，F(xiàn)e（OH）2沉淀率為 99.4%，Al（OH）3和VO（OH）2溶解量達(dá)到90%以上，可沉淀分離Fe2+。

2）將雙氧水加入除鐵后的廢水中將VO2+氧化為 VO。 調(diào)節(jié)廢水 pH=5，VO不發(fā)生沉淀，Al（OH）3發(fā)生沉淀，將 Al（OH）3分離并烘干。

3）將 Al（OH）3加入氨水質(zhì)量濃度為 25 g/L 的溶液中，控制反應(yīng)溫度為50℃、反應(yīng)時(shí)間為30 min，可將Al（OH）3附著的 VO去除，得到純度為 97.3%的氫氧化鋁。通過IR及SEM分析確定，最終樣品為直徑為40 nm左右的納米氫氧化鋁。