兩種方法制備的聚合氯化鋁鐵除磷降濁度性能比較

楊敏鴿，李紅，王俊勃，劉松濤，王蕊，程水林

(1.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西安工程大學(xué) 材料工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

聚合氯化鋁鐵(PAFC)是一種新型高效的無機(jī)鋁鐵復(fù)合絮凝劑，兼?zhèn)渚酆下然X和聚合氯化鐵的優(yōu)點(diǎn)，在水處理行業(yè)應(yīng)用十分廣泛[1-3]。目前制備PAFC多利用各種下腳料或廢料如粉煤灰[4-6]、高嶺土[7]、高鐵鋁礬土[8]、冰晶石母液[9]、廢鋁箔等[10]為原料。PAFC的應(yīng)用研究主要集中在降低污水的濁度和COD[1-3，5-8，10-13]，在除磷方面研究較少。因此除磷研究很有必要。

本文以結(jié)晶氯化鐵和結(jié)晶氯化鋁為原料，采用焙燒法和堿中和共聚法制備了PAFC，并對其降濁度和除磷性能進(jìn)行了研究和比較[14-15]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

結(jié)晶氯化鋁、結(jié)晶氯化鐵、氫氧化鈉均為分析純；磷測定試劑盒；超純水。

MiniFlex 600型X-射線衍射儀;Nicolet 5700傅里葉變換紅外光譜儀；Quanta-450場發(fā)射掃描電鏡;KSW-8D-12管式馬弗爐;WZS-185濁度儀;766-3A電熱(鼓風(fēng))干燥箱;FA2204分析天平。

1.2 PAFC的制備

1.2.1 堿中和共聚法制備PAFC 將1 mol/L的AlCl3和1 mol/L FeCl3溶液按一定比例放入燒杯中，在磁力攪拌器上攪拌10 min。在85 ℃下緩慢滴加一定量的1 mol/L NaOH溶液，聚合4 h，室溫下熟化24 h，加熱濃縮，干燥后研磨，即得PAFC。

1.2.2 焙燒法制備PAFC 將結(jié)晶氯化鋁和結(jié)晶氯化鐵研磨成粉末。按比列稱取于帶蓋子坩堝中，放入管式爐中，在160 ℃下焙燒20 min。待冷卻至室溫后取出。加入一定量的蒸餾水，攪拌，此時(shí)反應(yīng)放熱，生成深褐色粘稠狀聚合物，陳化4 h，烘干，研磨成粉末，得PAFC。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 除磷實(shí)驗(yàn) 測定廢水中磷濃度(C1)。在燒杯中加入生活廢水100 mL，0.020 0 g PAFC粉末，在磁力攪拌器上攪拌20 min，靜置30 min取上清液測定磷濃度(C2)。按式(1)計(jì)算磷的去除率。

(1)

1.3.2 降濁度實(shí)驗(yàn) 取初始濁度為100 mg/L的生活污水100 mL于250 mL燒杯中，加入0.200 0 g聚合氯化鋁鐵粉末，在磁力攪拌器上快速攪拌20 min,靜置30 min。取上清液，在濁度儀上檢測其濁度(Z)，按式(2)計(jì)算降濁度率。

(2)

1.4 分析檢測

1.4.1 IR分析 溴化鉀壓片，掃描范圍4 000～400 cm-1。

1.4.2 XRD分析 將研磨后的固體樣品在X射線衍射儀上進(jìn)行掃描。實(shí)驗(yàn)條件為:入射光源為Cu Kα射線，波長0.154 nm，工作電壓40 kV,電流40 mA。狹縫DS/SS=1°，RS=0.15 mm,掃描速率8(°)/min。衍射角為10～80°。

1.4.3 SEM分析 采用場發(fā)射掃描電鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿中和共聚法制備PAFC

原料配比和堿化度對堿中和共聚法制備PAFC除磷降濁效果的影響見表1。

表1 堿中和共聚法實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 The experimental results of alkali neutralization copolymerization

由表1可知，原料比5/5，堿化度為2.0時(shí)，磷去除率最大為95.0%，降濁度率為97.0%；原料比7/3和3/7，堿化度都為2.0時(shí)，降濁度率最大為98.0%，磷去除率只有86.7%和83.3%。綜合考慮去磷和降濁度，選定較優(yōu)的制備工藝為：原料配比5/5，堿化度為2.0，反應(yīng)溫度85 ℃，聚合時(shí)間4 h，熟化時(shí)間24 h。

2.2 焙燒法制備PAFC

焙燒法制備PAFC采用正交實(shí)驗(yàn)，對原料配比、焙燒溫度、焙燒時(shí)間和熟化時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，因素水平表見表2，結(jié)果見表3。

表2 因素水平表Table 2 Factors and levels table

表3 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 L9(34)Orthogonal experimental results

由表3可知，各因素對磷去除率的影響大小為：原料配比>焙燒時(shí)間>焙燒溫度>熟化時(shí)間；對濁度去除率的影響大小為：原料配比>焙燒溫度>焙燒時(shí)間>熟化時(shí)間。由此可知，原料配比對去磷和去濁度影響最大，熟化時(shí)間對去磷和去濁度影響較小。

對于除磷，最佳的制備條件為A3B1C3D1，即原料配比5/5，焙燒溫度160 ℃，焙燒時(shí)間20 min，熟化時(shí)間4 h；對于降濁度，最佳的制備條件為A3B1C3D3,即原料配比5/5，焙燒溫度160 ℃，焙燒時(shí)間20 min，熟化時(shí)間12 h。由于熟化時(shí)間對除磷和濁度影響較小，綜合考慮，選定最佳制備條件為原料配比5/5，焙燒溫度160 ℃，焙燒時(shí)間20 min，熟化時(shí)間4 h。按此工藝制備樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果磷的去除率為 96.5%，降濁度率為93.0%。

2.3 聚合氯化鋁鐵紅外光譜分析

圖1和圖2是兩種方法制備的PAFC紅外光譜圖。

圖1 堿中和法制備PAFC的紅外光譜Fig.1 IR of PAFC prepared by alkali neutralization

圖2 焙燒法制備的PAFC的紅外光譜Fig.2 IR of PAFC prepared by roasting

由圖1和圖2可知，兩種方法制備的樣品紅外光譜圖相似，3 400～3 450 cm-1是羥基的伸縮振動峰，說明PAFC主要是通過羥基橋連接的；1 610～1 630 cm-1為結(jié)合水的彎曲振動峰，1 100 cm-1主要是由 Fe—O—Fe，Al—O—Al 的伸縮振動而產(chǎn)生的[6]。隨著Al3+/Fe3+比的增加，850～880 cm-1處逐漸變?nèi)酰@是由于Al3+對Fe3+羥基聚合物進(jìn)一步晶化的抑制作用大于催化作用所致，表明PAFC中存在以羥基為橋連的鐵和鋁的聚合物。

2.4 聚合氯化鋁鐵X-射線衍射分析

圖3和圖4分別是堿中和共聚法和焙燒法制備的聚合氯化鋁鐵XRD圖。

圖3 堿中和共聚法PAFC的XRD曲線Fig.3 The XRD curve of PAFC by alkali neutralization copolymerization

圖4 焙燒法PAFC的XRD曲線Fig.4 The XRD curve of PAFC by roasting

由圖3可知，堿中和共聚法制備的晶體在10～85° 2θ角內(nèi)出現(xiàn)了5個(gè)明顯的衍射峰，分別是27.51，31.99，45.47，56.61,66.58°，與文獻(xiàn)[16]的XRD曲線基本吻合，用jade標(biāo)準(zhǔn)圖譜對照，第2和第5個(gè)峰為Al2O3，第4個(gè)峰為Al2Cl(OH)5·2H2O的衍射峰,第3個(gè)峰無標(biāo)準(zhǔn)圖譜，并且衍射強(qiáng)度較大，說明生成了新的晶種。固體有序性好，可能有多個(gè)晶體共存；有明顯的特征峰，并且峰長且尖銳，說明其晶體形態(tài)較好。

由圖4可知，在2θ角10～50°內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)衍射峰，可能是多個(gè)晶相的共存特征[Al(OH)3、Al10Cl4(OH)26·XH2O、Fe2O3·H2O等]，說明焙燒法制備的聚合氯化鋁鐵是多種晶體礦的混合物，無定形結(jié)構(gòu)，無序排列。

2.5 掃描電鏡分析

圖5是堿中和共聚法制備的聚合氯化鋁鐵的SEM照片。a、b、c、d分別是不同放大倍數(shù)的照片。

a b

c d圖5 聚合氯化鋁鐵的SEM照片F(xiàn)ig.5 The SEM photographs of PAFC

由圖5可知，聚合氯化鋁鐵為片狀結(jié)構(gòu)連在一起，結(jié)構(gòu)緊密,層狀疊加，晶體間相互結(jié)合形成較長的鏈,且彼此交錯(cuò)形成高聚合度的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子物質(zhì)。