弱堿金屬氧化物酸溶出率測(cè)算方法與應(yīng)用的研究

(成都大學(xué)生物工程學(xué)院，四川成都，610106)

每個(gè)活性一元弱堿金屬氧化物都有自已確定的酸溶-水解-堿式化-橋連聚合反應(yīng)式[1～3]。定義活性一元弱堿金屬氧化物酸溶-水解-堿式化至氫氧化物開始沉淀時(shí)能測(cè)算生成聚合堿式該元素鹽的最高pHh值、最高堿化度(Bh%)和酸溶出率(wh%)[4，5]。

類鋁土礦指化學(xué)成分類似于鋁土礦[6]，如鋁土礦、氫氧化鋁(三水鋁石)、煤矸石、油頁(yè)巖灰渣、人工合成鋁酸鈣粉(具有活性)、赤泥(氧化鋁生產(chǎn)廢棄物/具有活性)等。類鋁土礦含有多元弱堿金屬氧化物，主要成分為氧化鋁，次要成分有少量的氧化鐵、氧化鈦、氧化鈣、氧化鎂等，以及二氧化硅和少量的氧化鉀、氧化鈉等，統(tǒng)稱高鋁多元氧化物礦粉。

高鋁多元氧化物礦粉的含量雖然各不相同，但它們和氧化鋁一樣一經(jīng)活化，一樣參與酸溶-水解-堿式化-橋連聚合反應(yīng)，同在反應(yīng)液中形成相同的pH值和相同的堿化度(B%)[5]。由此定義高鋁多元氧化物礦粉經(jīng)活化(焙燒)-酸溶-水解-堿式化至氫氧化物開始共同沉淀時(shí)能測(cè)算生成聚合堿式鋁多元鹽的最高pHh值、最高堿化度(Bh%)和酸溶出率(wh%)。

根據(jù)弱堿金屬氧化物酸溶出率(w%)和pH值的測(cè)算值，制作w%─pH值變化線，在w%─pH值變化線上選擇液體(liquid)產(chǎn)品的最佳生產(chǎn)條件，如酸溶出率(wl%)和pHl值。

1 弱堿金屬氧化物酸溶出率和堿化度的測(cè)算方法

活性弱堿金屬氧化物酸溶-水解-堿式化-橋連聚合生成聚合堿式鹽，有三個(gè)表述量，如pH值/[H+]、溶出率/w%、堿化度/B%等，彼此相關(guān)聯(lián)。通過測(cè)定pH值，能計(jì)算相應(yīng)活性氧化物的酸溶出率(在反應(yīng)液中為氧化物的含量)和堿化度。

定義⑴：在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，弱堿金屬氧化物酸溶-水解-堿式化至氫氧化物開始沉淀的最高pHh值<7時(shí)，升高(△)1個(gè)pH值單位{[H+]/10-1}相當(dāng)于[H+]摩爾濃度數(shù)(mol數(shù)m/L≈mol數(shù)m/kg)減少至原有值的10%(10-1)[7]。

推論①：與H+作用的弱堿金屬[Mn+/n]摩爾濃度數(shù)(mol數(shù)m/L≈mol數(shù)m/kg)同樣減少至原有值的10%(10-1)，即該弱堿金屬氧化物生成聚合堿式鹽的溶出率減少至原有值的10%。導(dǎo)出弱堿金屬氧化物升高(△)pH值后溶出率(w△pH%)和堿化度(B△pH%)的計(jì)算式：

w△pH%=溶出率原有值(w0%)—溶出率原有值(w0%)×△pH(值數(shù))×m(氧化物中金屬mol數(shù))×10%= w0%×[1-△pH×m×10%]。

式中溶出率原有值(w0%)：定義為在pH0值≤0時(shí)弱堿金屬氧化物1mol溶于1 kg反應(yīng)液的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

推論②：由測(cè)定升高的pH值計(jì)算弱堿金屬氧化物生成聚合堿式鹽的堿化度(B△pH%)計(jì)算式：

B△pH%=△pH×m×10%

定義⑵：在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，弱堿金屬氧化物酸溶-水解-堿式化至氫氧化物開始沉淀的最高pHh值>7時(shí)，升高(△)1個(gè)pH值單位相當(dāng)于[H+]摩爾濃度數(shù)(mol數(shù)m/L≈mol數(shù)m/kg)減少至原有值的1%(10-2)。

推論①：與H+作用的弱堿金屬[Mn+/n]摩爾濃度數(shù)(mol數(shù)m/L≈mol數(shù)m/kg)同樣減少至原有值的1%(10-2)，即該弱堿金屬氧化物生成聚合堿式鹽的溶出率減少至原有值的1%。導(dǎo)出弱堿金屬氧化物升高(△)pH值后溶出率(w△pH%)和堿化度(B△pH%)的計(jì)算式：

w△pH%=溶出率原有值(w0%)—溶出率原有值(w0%)×△pH(值數(shù))×m(氧化物中金屬mol數(shù))×1%= w0%×[1-△pH×m×1%]。

式中溶出率原有值(w0%)：定義為在pH0值≤0時(shí)弱堿金屬氧化物1mol溶于1 kg反應(yīng)液的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

推論②：由測(cè)定升高的pH值計(jì)算弱堿金屬氧化物生成聚合堿式鹽的堿化度(B△pH%)計(jì)算式：

B△pH%=△pH×m×1%

2 一元弱堿金屬氧化物酸溶出率和堿化度的測(cè)算

活性一元弱堿金屬氧化物酸溶-水解-堿式化-橋連聚合生成聚合堿式鹽，通過測(cè)定pH值，能計(jì)算相應(yīng)氧化物的溶出率/w%和堿化度/B%。

例1，配制活性氧化鋁1mol 溶于1kg反應(yīng)液：1mol活性Al2O3(102g)和6mol的HCl(6×36.5g)溶于1kg反應(yīng)液，轉(zhuǎn)換為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)濃度為10.2%，開始沉淀的pHh值=3.3[4]<7。根據(jù)定義⑴推論①計(jì)算：由pH值≤0升高1個(gè)pH值、2個(gè)pH值，升高至開始沉淀的pHh值為3.3時(shí)Al2O3的溶出率/w%。

在pH值≤0，w0%=10.2%，Al2O3中Al-mol數(shù)為2；

△1個(gè)pH值，w△1%=10.2%[1-△1×2×10%]=8.2%；

△2個(gè)pH值，w△2%=10.2%[1-△2×2×10%]=6.1%；

△3.3個(gè)pH值，wh%=10.2%[1-△3.3×2×10%]=3.5%。

通過制作氧化鋁w%─pH值變化線(見圖1)，證明升高不同的pH值按定義計(jì)算的結(jié)果值都落點(diǎn)在溶出率/w0%與wh%的連線上(見圖1)。

根據(jù)定義⑴推論②，計(jì)算開始沉淀時(shí)的最高堿化度/Bh%=3.3×2×10%=66%。

例2，配制活性氧化鐵1mol 溶于1kg反應(yīng)液：1mol活性Fe2O3(160g)和6mol的HCl(6×36.5g)溶于1kg反應(yīng)液，轉(zhuǎn)換為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)濃度為16.0%，開始沉淀的pHh值=1.6[4]<7。根據(jù)定義⑴推論①計(jì)算：由pH值≤0升高0.6個(gè)pH值、1個(gè)pH值，升高至開始沉淀的1.6個(gè)pH值時(shí)Fe2O3的溶出率/w%。

在pH值≤0，w0%=16.0%，F(xiàn)e2O3中Fe-mol數(shù)為2；

舉例：基于特征b33a589d3627bc6f2e5bd0e6b42f 53b6，探測(cè)到URL http://198.98.122.172/cunty.sh，進(jìn)而截取獲得IP 198.98.122.172，針對(duì)這個(gè)IP進(jìn)行端口探測(cè)和協(xié)議識(shí)別198.98.122.172:50

△0.6個(gè)pH值，w△0.6%=16.0%[1-△0.6×2×10%]=14.1%；

△1個(gè)pH值，w△1%=16.0%[1-△1×2×10%]=12.8%；

△1.6個(gè)pH值，wh%=16.0%[1-△1.6×2×10%]=10.9%。

通過制作氧化鐵w%─pH值變化線(見圖1)，證明升高不同的pH值按定義計(jì)算的結(jié)果值都落點(diǎn)在溶出率/w0%與wh%的連線上(見圖1)。

根據(jù)定義⑴推論②，計(jì)算開始沉淀的最高堿化度/Bh%=1.6×2×10%=32%。

例3，配制活性氧化鈣1mol 溶于1kg反應(yīng)液：1mol活性CaO(56g)和2mol的HCl(2×36.5g)溶于1kg反應(yīng)液，轉(zhuǎn)換為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)濃度為5.6%，開始沉淀的pHh值=10.7[8]>7。根據(jù)定義⑵推論①計(jì)算：由pH值≤0升高1個(gè)pH值、8個(gè)pH值，升高至開始沉淀的pHh值為10.7時(shí)CaO的溶出率/w%。

在pH值≤0，w0%=5.6%，CaO中Ca-mol數(shù)為1；

△8個(gè)pH值，w△8%=5.6%[1-△8×1×1%]=5.2%；

△10.7個(gè)pH值，wh%=5.6%[1-△10.7×1×1%]=5.0%。

通過制作氧化鈣w%─pH值變化線(見圖1)，證明升高不同的pH值按定義計(jì)算的結(jié)果值都落點(diǎn)在溶出率/w0%與wh%的連線上(見圖1)。

根據(jù)定義⑵推論②，計(jì)算開始沉淀的最高堿化度/Bh%=10.7×1×1%=10.7%。

例4，配制活性氧化鎂1mol 溶于1kg反應(yīng)液：1mol活性MgO(40g)和2mol的HCl(2×36.5g)溶于1kg反應(yīng)液，轉(zhuǎn)換為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)濃度為4.0%，開始沉淀的pHh值=9.4[4]>7。根據(jù)定義⑵推論①計(jì)算：由pH值≤0升高1個(gè)pH值、8個(gè)pH值，升高至開始沉淀的pHh值為9.4時(shí)MgO的溶出率/w%。

在pH值≤0，w0%=4.0%，MgO中Mg-mol數(shù)為1；

△1個(gè)pH值，w△1%=4.0%[1-△1×1×1%]=3.9%；

△8個(gè)pH值，w△8%=4.0%[1-△8×1×1%]=3.7%；

△9.4個(gè)pH值，wh%=4.0%[1-△9.4×1×1%]=3.6%。

通過制作氧化鎂w%─pH值變化線(見圖1)，證明升高不同的pH值按定義計(jì)算的結(jié)果值都落點(diǎn)在溶出率/w0%與wh%的連線上(見圖1)。

根據(jù)定義⑵推論②，計(jì)算開始沉淀的最高堿化度/Bh%=9.4×1×1%=9.4%。

總結(jié)：鋁鐵鈣鎂氧化物不同pH值的溶出率(w%)測(cè)算值，見表1和圖1。

表1 一元弱堿金屬氧化物不同pH值的不同溶出率(w%)

圖1 一元弱堿金屬氧化物w%─pH值線

3 活性高鋁(鐵)多元氧化物礦粉酸溶出率和堿化度的測(cè)算

活性高鋁(或高鐵)多元弱堿金屬氧化物礦粉，如青川活性鋁土礦粉或云陽(yáng)硫鐵礦燒渣，由主料氧化鋁(Al2O3)或氧化鐵(Fe2O3)和次料鐵(鋁)鈦鈣鎂氧化物兩部分組成，溶于酸-水解-堿式化-橋連聚合生成聚鋁(或聚鐵)多元堿式鹽，可做凈水劑。每種新原料生產(chǎn)之前需要進(jìn)行小試[2]，測(cè)定活性高鋁(或高鐵)多元弱堿金屬氧化物礦粉酸溶-水解-堿式化至開始?xì)溲趸锕餐恋淼膒H值為最高pHh值、測(cè)定或計(jì)算最高pHh值時(shí)高鋁(或高鐵)多元氧化物的溶出率(wh%)和堿化度(Bh%)[9,10]。

制作多元弱堿金屬氧化物酸溶出率w0%─wh%連結(jié)線：以活性高鋁(或高鐵)多元氧化物為原料，白云石礦粉為輔料，通過計(jì)量配方保證在pH值≤0的反應(yīng)液中原輔料中活性高鋁(或高鐵)多元氧化物總含量≥10%，即保證原輔料的溶出率(w0%)達(dá)到10%。再測(cè)定或計(jì)算經(jīng)酸溶-水解-堿式化至開始?xì)溲趸锕餐恋淼淖罡遬Hh值時(shí)的溶出率(wh%)。之后應(yīng)用溶出率(w%)與pH值的變化關(guān)系制作w%─pH值變化線，在w%─pH值變化線上選擇液體(liquid)產(chǎn)品的最佳生產(chǎn)條件，如酸溶出率(wl%)即液體產(chǎn)品含量(wl%)和pHl值可換算為液體產(chǎn)品堿化度(Bl%)[9,10]。

例1，青川活性鋁土礦粉酸溶出率和堿化度的測(cè)算

青川活性鋁土礦粉為原料[5]，文獻(xiàn)[5]已確認(rèn)活性鋁土礦粉酸溶-水解-堿式化至開始?xì)溲趸锕餐恋淼淖罡遬Hh值測(cè)得=2.7[5]<7，根據(jù)定義⑴推論①計(jì)算，由pH值≤0，升高1個(gè)pH值、2個(gè)pH值、2.7個(gè)pH值時(shí)青川活性鋁土礦粉的溶出率/w%。

在pH值≤0，w0%=10.0%，主料Al2O3中Al-mol數(shù)為2；

△1個(gè)pH值，w△1%=10.0%[1-△1×2×10%]=8.0%；

△2個(gè)pH值，w△2%=10.0%[1-△2×2×10%]=6.0%；

△2.7個(gè)pH值，wh%=10.0%[1-△2.7×2×10%]=4.6%。

通過制作高鋁多元氧化物w%─pH值變化線(見圖2)，證明升高不同的pH值按定義計(jì)算的結(jié)果值都落點(diǎn)在溶出率/w0%與wh%的連線上(見圖2)。

根據(jù)定義⑴推論②，計(jì)算開始共同沉淀的最高堿化度/Bh%=2.7×2×10%=54%，與文獻(xiàn)[9]測(cè)試結(jié)果相符合。

例2，云陽(yáng)硫鐵礦燒渣酸溶出率和堿化度的測(cè)算

云陽(yáng)硫鐵礦燒渣為原料[11]，文獻(xiàn)[11]已確認(rèn)硫鐵礦燒渣礦粉酸溶-水解-堿式化至開始?xì)溲趸锕餐恋淼淖罡遬Hh值測(cè)得=1.8<7，根據(jù)定義⑴推論①計(jì)算，由pH值≤0，升高0.6個(gè)pH值、升高1個(gè)pH值、升高1.8個(gè)pH值時(shí)云陽(yáng)硫鐵礦燒渣的溶出率/w%。

在pH值≤0，w0%=10.0%，主料Fe2O3中Fe-mol數(shù)為2；

△0.6個(gè)pH值，w△0.6%=10.0%[1-△0.6×2×10%]=9.9%；

△1個(gè)pH值，w△1%=10.0%[1-△1×2×10%]=8.0%；

△1.8個(gè)pH值，wh%=10.0%[1-△1.8×2×10%]=6.4%；

通過制作高鐵多元氧化物w%─pH值變化線(見圖3)，證明升高不同的pH值按定義計(jì)算的結(jié)果值都落點(diǎn)在溶出率/w0%與wh%的連線上(見圖3)。

根據(jù)定義⑴推論②，計(jì)算開始共同沉淀的最高堿化度/Bh%=1.8×2×10%=36%。

總結(jié)：多元弱堿金屬氧化物不同pH值的溶出率(w%)測(cè)算值，見表2，圖2和圖3。

表2 多元弱堿金屬氧化物不同pH值的溶出率(w%)計(jì)算值

圖2 活性鋁土礦w%─pH值線

圖3 黃鐵礦燒渣w%─pH值線

4 測(cè)算結(jié)果的應(yīng)用

4.1 青川活性鋁土礦生產(chǎn)聚鋁多元鹽凈水劑

由青川活性鋁土礦粉w%─pH值變化線圖2發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)聚鋁多元鹽凈水劑，液體產(chǎn)品主料選定Al2O3≥6.5%，pH值選定在1.8，計(jì)算堿化度B=36%。堿化劑由原料(活性鋁土礦)輔料(白云石)共同提供弱堿金屬(鋁除外)氧化物總含量≥3.5%。其他如重金屬含量應(yīng)符合GB/T 22627—2014標(biāo)準(zhǔn)。凈水劑效果值=1.8/2.7=67%[5]。

4.2 云陽(yáng)硫鐵礦燒渣生產(chǎn)聚鐵多元鹽凈水劑

由硫鐵礦燒渣w%─pH值變化線圖3發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)聚鐵多元鹽凈水劑，液體產(chǎn)品主料選定Fe2O3≥7.2%，pH值選定在1.4，計(jì)算堿化度B=28%。堿化劑由原料(硫鐵礦燒渣)輔料(白云石)共同提供弱堿金屬(鐵除外)氧化物總含量≥2.8%，重金屬含量應(yīng)符合GB 14591—2006標(biāo)準(zhǔn)。凈水劑效果值=1.4/1.8=78%[5]。