進口鋁土礦制備高效聚合氯化鋁鐵(PAFC)試驗及應用研究

鄭 霞

(中鋁山東有限公司，山東 淄博 255061)

聚合氯化鋁鐵(PAFC)是由鋁鹽和鐵鹽混凝水解而成的一種無機高分子絮凝劑，依據協同增效原理，它兼具鋁鹽和鐵鹽的絮凝特性，廣泛應用于工業(yè)污水、城市生活污水等各個方面，做水處理凈化劑。目前國內外制備高鐵PAFC的方法有很多。國外采用加入鐵粉、鐵屑等方式生產，此工藝生產成本高，鐵含量低。國內較典型的和使用最多的工藝方法是采用高溫焙燒的鋁礬土、煤矸石為原料，經過酸浸，回流，調pH聚合的過程生產[1]。

國內外以鋁土礦生產聚合氯化鋁(PAC)、聚合氯化鋁鐵的經驗表明：鋁土礦物因其礦物結構的不同可分為一水軟鋁石、一水硬鋁石、三水軟鋁石、高嶺土等物質，礦物組成結構的不同決定了Al2O3制取工藝的不同。

該進口礦石主要是三水軟鋁石，可在常壓下用鹽酸直接溶出。三水軟鋁石化學活性好，石英含量低，易于酸浸出，具備礦石制備凈水劑的試驗條件，同時SiO2含量低，產生殘渣量少，環(huán)境污染降低，可替代國內礦輕燒鋁礬土制備凈水劑。

1 原料與儀器

1.1 主要試驗原料

原料：進口礦石，堿化助劑，30%鹽酸。

該進口礦石是以三水氧化鋁為主的高鐵低硅鋁土礦?；瘜W組成見表1，物相組成見表2。

表1 礦石主要成分分析表Tab.1 Main composition analysis of ore (%)

表2 主要物相組成表Tab.2 Composition of main phases

1.2 主要試驗儀器

主要試驗儀器：電子恒溫水浴攪拌鍋，PHS-3型酸度計，SH-Ⅲ型循環(huán)式真空泵，TA4-6型混凝試驗攪拌儀，XZ-0142型多參數水質分析儀，TSJ-PC03型水質重金屬檢測儀[2]。

2 工藝研究

高效PAFC制備工藝流程如圖1，將進口礦石進行預處理，通過控制液固比、鹽酸濃度、反應溫度、反應時間，在恒溫磁力攪拌鍋中進行常壓反應，制備得到浸出溶液。按照預定的堿化度及Al2O3含量，加入堿劑度調整助劑，通過控制助劑加入量、反應時間、溫度，過濾得到成品聚合氯化鋁鐵復合凈水劑產品。室溫下靜置熟化48小時，并進行樣品檢測分析，測定PAFC的Al2O3、B、pH、Fe2O3指標。并進行混凝對比評價試驗研究。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

溶液采用國家標準GB/T 22707—2014測試，主要技術指標如表3。

表3 主要技術指標分析Tab.3 Analysis of main technical indexes

從表3中可以看出，PAFC的Al、Fe總量達到了12%以上，且鹽基度B值達到72.79%，同時具備了PAC和PAFC的絮凝性質。

由電鏡掃描圖(圖2)可知,聚合氯化鋁鐵絮凝劑結構緊密,分子之間相互結合形成較長的鏈,而且彼此交錯形成高聚合度的具有網狀結構大分子物質,因此其吸附網捕能力強,沉降速度快,絮凝效果好[3-4]。

圖2 PAFC SEM效果圖Fig.2 SEM effect of PAFC

3 結果討論

3.1 自熱溫度的影響因素

該礦石氧化鋁組成主要以三水軟鋁石為主，與高濃度鹽酸發(fā)生劇烈放熱反應，根據理論熱焓值計算，通過控制反應過程中主要參數指標完全可實現自熱溶解，降低能耗。實驗室進行了鹽酸濃度、礦石粒度對溫度影響的正交試驗，礦石粒徑及鹽酸濃度對溫度的影響如圖3所示。

圖3 自熱溫度影響分布圖Fig.3 Distribution of self heating temperature influence

通過提高鹽酸濃度、降低礦石粒度，可提高自熱溶出溫度，實現礦石免加熱反應，在鹽酸濃度達到10 mol/L，礦石粒徑<1 mm的試驗條件下，自熱溫度能升至95 ℃以上，滿足試驗研究。

3.2 溶出率的影響因素

根據前期的溫度影響試驗條件，采用鹽酸濃度10 mol/L，礦石研磨粒徑<1 mm的進口礦石進行不同時間的溶出試驗，溶出時間對Al2O3、Fe2O3溶出率指標的影響如圖4所示。

圖4 溶出時間對溶出率的影響Fig.4 Effect of dissolution time on dissolution rate

隨著溶出時間的延長，Al2O3、Fe2O3的溶出率大幅度提高，當溶出時間達到3 h時，溶出效率達到頂峰。同時pH值提高，Fe2O3的溶出率開始下降。試驗過程時間控制在2.5～3 h效率最好。

3.3 殘渣鈦含量的影響

隨著酸溶出過程的反應完全，時間延長，殘渣物質組成發(fā)生重大變化，隨著溶出率的升高，溶出渣減少，渣中TiO2含量大幅度上升。不同溶出率下的渣中主要成分分布如表4，XRD衍射如圖5所示。

表4 溶出渣主要成分分析表Tab.4 Analysis of main components of slags (%)

圖5 溶出渣XRD衍射圖Fig.5 XRD diffraction pattern of slag

從XRD衍射中可以看出主要物質組成為：TiO2、SiO2及γ-AlOOH。當溶出量達到96%以上，TiO2含量達到40%以上，可以通過氯化焙燒或者進一步硫酸浸出，制備鈦白粉。

3.4 高效PAFC凈水效果對比試驗

鋁鹽和鐵鹽在水處理過程中發(fā)生水解和聚合反應過程，水中的膠體顆粒能強烈吸附水解和聚合反應過程中出現的各種產物：各種Al3+和Fe3+的化合物和多種多核羥基絡離子。被吸附的帶正電的多核羥基絡離子能夠壓縮雙電層，降低動電位(ζ-電位)同時進行架橋作用。多核聚合物為兩個以上的交通顆粒所共同吸附，將兩個或多個膠體顆粒架橋連接等。這些屬于膠體顆粒的聚集作用，從而逐步形成絮凝體，絮凝劑最終形成的聚合度很大的Al(OH)3或Fe(OH)3將使絮凝過程加速，絮凝體由小變大[3-4]。

原水配制條件：作為原水使用的水樣是將高嶺土粉末放入自來水中制備的。高嶺土粒度：+1250目，9克放到10 L水中。

實驗室進行混凝評價試驗采用成品PAFC與市售PAC進行混凝評價對比試驗。試驗結果見表5。

表5 混凝后指標對比測試結果表Tab.5 Comparison test results of indexes after coagulation

由表5數據可以看出，與PAC應用效果對比，PAFC混凝效果好，礬花大，水質濁度低，同時對pH影響小，水質變化小，去濁效果明顯。

4 結論

進口礦石復合的高效PAFC的Al、Fe總量達到了12%以上，且鹽基度B值達到72.79%，同時具備了PAC和PAFC的絮凝性質，通過與PAC進行混凝對比評價，其具有絮凝速度快，結實粗大、沉降性能好等絮凝特性，及優(yōu)越的除濁、脫色特性。

溶出渣殘留量低，TiO2含量高，可制備鈦白粉等高附加值產品，減少酸性渣的污染，提高礦石利用率。

進口礦石相比于鋁礬土制備PAFC，無需加熱，殘渣量少，屬于真正的綠色產品開發(fā)，非常適合我國的國情，具有很好的科學價值和重大的實踐生產意義。