用氯化鐵廢液制備聚合氯化鐵并處理洗煤廢水試驗(yàn)研究

孔德順，王魯鳳，蔣榮立

(1.六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221016；3.貴州省煤炭潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 六盤水 553004)

聚合氯化鐵(PFC)是常用的水處理劑，具有產(chǎn)生礬花大、顆粒沉降速度快、安全性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。聚合氯化鐵的制備多以FeCl2為原料[2-3]，而FeCl2常以鋼鐵酸洗廢水[4]、鐵礦石、鐵屑、氧化鐵皮、硫鐵礦等為原料制備，制備過(guò)程中往往需要加入NaClO3[5]、H2O2[6]、HNO3等氧化劑或NaNO2等催化劑[7]，存在工藝復(fù)雜且成本較高等缺點(diǎn)[8]。試驗(yàn)采用FeCl3廢液為原料，采用水熱法制備PFC，省去中間氧化過(guò)程，比常用的中和法[9]、凝膠法[10]、加熱法[11]等工藝簡(jiǎn)單，且具有反應(yīng)條件溫和、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。PFC常用于飲用水和工業(yè)水處理[12-16]。洗煤廠產(chǎn)生的大量廢水需處理后循環(huán)使用，但用PFC處理洗煤廢水的研究卻鮮見報(bào)道。試驗(yàn)以高鐵煤矸石鹽酸浸出液(氯化鐵廢液)為原料，利用水熱合成法制備PFC，并用PFC處理洗煤廢水，以期為氯化鐵溶液及洗煤廢水的處理提供可行方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料、儀器及試劑

試驗(yàn)原料：氯化鐵廢液，高嶺土，主要污染物為煤泥及細(xì)粒黏土礦物的洗煤廢水。

試驗(yàn)儀器：ARL9900XP+型X射線熒光光譜儀(XRF)，F(xiàn)TIR-6700型傅立葉變換紅外光譜儀，TD2500型X射線多晶衍射儀(XRD)，WGZ-1A型濁度，HH-S2型數(shù)顯恒溫水浴鍋，錐形瓶等。

試驗(yàn)試劑：Na2CO3、NaOH、鹽酸等，均為分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 聚合氯化鐵(PFC)的制備

取一定量氯化鐵廢液，調(diào)整Fe3+濃度及pH，加入到水浴鍋中，在40～50 ℃下恒溫一定時(shí)間，冷卻至室溫并靜置老化1 d，即得液態(tài)PFC產(chǎn)物。

1.2.2 PFC去濁性能的測(cè)定

洗煤廢水800 mL，加入3.0 g高嶺土，此為高嶺土模擬廢水。調(diào)節(jié)模擬廢水pH=7.0，加入1%PFC溶液5.0 mL，先在1 000 r/min條件下攪拌3 min，再在60 r/min條件下攪拌10 min，之后沉降30 min，測(cè)定上清液濁度，計(jì)算去濁率。試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 PFC的制備

表1 PFC的制備及處理模擬廢水正交試驗(yàn)因素、水平及結(jié)果

表1中，k1、k2、k3分別為對(duì)應(yīng)指標(biāo)值的平均值?？梢钥闯觯河绊懢酆下然F處理模擬廢水性能的因素主次為聚合溫度>體系pH>Fe3+濃度>聚合時(shí)間。聚合溫度決定反應(yīng)速率，對(duì)產(chǎn)物聚合度影響最大；適宜的體系pH有利于產(chǎn)物鹽基度提高，pH太低不利于產(chǎn)物聚合，太高則容易使體系中鐵離子形成沉淀。優(yōu)化條件為：聚合溫度50 ℃，體系pH=1.0，F(xiàn)e3+濃度0.50 mol/L，聚合時(shí)間3.0 h。

2.2 PFC的表征

2.2.1 PFC的物相分析

優(yōu)化條件下制備的PFC在低溫下烘干然后進(jìn)行物相分析，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯觯篜FC的XRD圖譜為背底較高的彌散峰，未見三氯化鐵衍射峰，說(shuō)明三氯化鐵發(fā)生了聚合，所得產(chǎn)物為無(wú)定形態(tài)。

圖1 所制備PFC的XRD圖譜

2.2.2 PFC的紅外光譜分析

優(yōu)化條件下制備的PFC干燥后進(jìn)行IR分析，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯涸? 362 cm-1處出現(xiàn)與鐵離子相連的羥基伸縮振動(dòng)吸收峰[17]；在1 635 cm-1處出現(xiàn)H2O分子彎曲振動(dòng)吸收峰；在1 112 cm-1附近出現(xiàn)Fe—OH—Fe伸縮振動(dòng)吸收峰[18]；751 cm-1附近出現(xiàn)Fe—O—Fe彎曲振動(dòng)吸收峰；在621 cm-1處有疊加在水分子吸收峰上的Fe—OH彎曲振動(dòng)吸收峰。這表明樣品中存在以羥基橋聯(lián)的鐵聚合物[19-20]，為無(wú)機(jī)高分子聚合物PFC。

圖2 產(chǎn)物的IR圖譜

2.3 洗煤廢水的處理

2.3.1 體系pH對(duì)廢水去濁率的影響

5份洗煤廢水各加入5 mL 1%PFC溶液，攪拌后沉降30 min，測(cè)定上清液濁度并計(jì)算去濁率。體系pH對(duì)廢水去濁率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 體系pH對(duì)廢水去濁率的影響

由圖3看出：隨廢水pH增大至7.0，去濁率達(dá)最大；廢水pH >7.0后，去濁率降低。在酸性或堿性條件下，PFC均會(huì)發(fā)生水解，進(jìn)而影響去濁效果。綜合考慮，確定洗煤廢水適宜pH為7.0。

2.3.2 PFC用量對(duì)廢水去濁率的影響

洗煤廢水800 mL，廢水pH=7.0，加入不同量1%PFC溶液，攪拌并沉降30 min后，測(cè)定上清液濁度并計(jì)算去濁率。PFC用量對(duì)廢水去濁率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。可以看出：隨PFC用量增加，廢水去濁率逐漸提高；PFC用量大于5.0 mL后，廢水去濁率趨于穩(wěn)定。水中污染物顆粒攜帶同種電荷，加入PFC后，發(fā)生電荷中和反應(yīng)使顆粒凝聚；當(dāng)PFC用量大于5.0 mL時(shí)，電荷中和平衡，去濁率變化不大。綜合考慮，確定PFC適宜用量為5.0 mL。

圖4 PFC用量對(duì)廢水去濁率的影響

2.3.3 沉降時(shí)間對(duì)廢水去濁率的影響

洗煤廢水800 mL，廢水pH=7.0，快速加入1%PFC 5.0 mL，攪拌后沉降，然后測(cè)定上清液濁度并計(jì)算去濁率。沉降時(shí)間對(duì)廢水去濁率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 沉降時(shí)間對(duì)廢水去濁率的影響

由圖5看出：沉降時(shí)間越長(zhǎng)，廢水去濁效果越好；沉降40 min后，去濁率在98%以上。這是由于PFC和污染物小顆粒發(fā)生電中和以后，污染物小顆粒因消除了布朗運(yùn)動(dòng)而聚集沉降。但考慮到沉降時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致處理效率降低，綜合考慮，確定沉降時(shí)間以40 min為宜。

3 結(jié)論

用氯化鐵廢液制備聚合氯化鐵混凝劑并用于處理洗煤廢水是可行的。在氯化鐵廢液中Fe3+濃度0.50 mol/L、體系pH=1.0、聚合時(shí)間3.0 h、聚合溫度50 ℃下可獲得絮凝效果較好的PFC混凝劑。在中性條件下，用1%PFC、控制用量5.0 mL處理800 mL洗煤廢水、沉降40 min的條件下，洗煤廢水去濁率可達(dá)98%以上。