高溫拜耳法赤泥制備聚合氯化鋁鐵絮凝劑及其應(yīng)用研究

張延利,孫鳳娟,劉中凱

(中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司,河南 鄭州 450041)

赤泥是氧化鋁生產(chǎn)過程中的伴隨產(chǎn)物,每生產(chǎn)1噸氧化鋁會產(chǎn)生1～2噸赤泥,目前全球赤泥堆存量超27億噸,我國赤泥堆存量超10億噸,對生態(tài)環(huán)境造成了極大的壓力。然而目前我國赤泥的綜合利用率不足5%,赤泥有效資源化利用事關(guān)鋁工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。研究證實(shí),赤泥本身含有豐富的鐵、鋁等有效活性成分,具備制備鋁鐵絮凝劑的條件。用赤泥制備絮凝劑是赤泥資源化利用的途徑之一[1-7,9]。本文通過對酸浸、聚合及熟化等工藝的研究[8,10],最終成功制備了聚合氯化鋁鐵絮凝劑,測試了其結(jié)構(gòu)、鹽基度等相關(guān)性能,并將其應(yīng)用在了改善污泥沉降性能上,取得了良好效果。

1 實(shí)驗(yàn)原料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本次實(shí)驗(yàn)原料為河南某氧化鋁廠的高溫拜耳法赤泥,采用MagiX(PANalytical)熒光分析儀分析拜耳法赤泥的化學(xué)組成,如表1所示。

表1 拜耳法赤泥的化學(xué)組成

從表1中可以看出,該拜耳法赤泥中Al2O3和Fe2O3,約占整個(gè)組分的38%,具有較高的資源化利用價(jià)值。

采用X’Pert PRO 型X 射線衍射儀測得如圖1所示赤泥的XRD衍射圖譜。

圖1 拜耳法赤泥的XRD衍射圖譜

由圖1可看出,該拜耳法赤泥主要礦物組成為鈣水化石榴石(Ca3Al2(SiO4) (OH)8)和鈣霞石(Na6Ca2Al6Si6O2(CO3)2·2H2O),其次是赤鐵礦(Fe2O3)、石英(SiO2)和方解石(CaCO3)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

①將赤泥105℃烘干,研磨后過200目篩,控制一定液固比,用濃鹽酸在一定溫度下浸出(正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表見表2),根據(jù)鋁鐵浸出率篩選確定最佳浸出條件;②浸出后的混合液過濾,調(diào)節(jié)濾液pH值,在一定溫度下聚合、熟化(正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表見表3),根據(jù)鹽基度測試結(jié)果篩選確定最佳聚合條件;③在最佳浸出及聚合條件下制備液體赤泥基聚合氯化鋁鐵絮凝劑,并測試其結(jié)構(gòu)、鹽基度等性能(為便于紅外及SEM分析,將聚合后的液體聚合氯化鋁鐵絮凝劑在80℃條件下低溫烘干得到固體聚合氯化鋁鐵絮凝劑);④向相同體積、高度的市政原污泥中分別加入10 mL液體赤泥基聚合氯化鋁鐵絮凝劑、同類商品絮凝劑及0.2%PAM(空白樣不添加任何添加劑),搖勻后靜置,觀察沉降情況并記錄沉降體積,對比其對污泥沉降性能的改善效果。

表2 赤泥鋁鐵浸出正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表3 聚合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)方法中所述聚合氯化鋁鐵絮凝劑的鹽基度測試方法均根據(jù)GB/T 22627-2014。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鋁鐵浸出條件篩選

結(jié)合鋁鐵浸出條件表4、表5研究結(jié)果,確定浸出最佳條件為:反應(yīng)時(shí)間2 h,反應(yīng)溫度80℃,液固比7,鹽酸濃度6 mol/L。

表4 鋁浸出條件篩選

表5 鐵浸出條件篩選(正交試驗(yàn))

2.2 聚合氯化鋁鐵絮凝劑聚合條件篩選

由表6可見,聚合實(shí)驗(yàn)中,對絮凝劑鹽基度影響最大的因素是聚合時(shí)間,其次是反應(yīng)溫度、pH值,最后是堿濃度。最佳聚合條件是:聚合時(shí)間4 h、pH2.5、反應(yīng)溫度70℃、堿濃度2.0 mol/L。

表6 酸浸液聚合試驗(yàn)

2.3 赤泥基聚合氯化鋁鐵絮凝劑性能測定

在最佳鋁鐵浸出條件及聚合條件下制備液體赤泥基聚合氯化鋁鐵絮凝劑,測得其鹽基度為66.90%,在GB/T 22627-2014要求的鹽基度30%～96%之間,理論上具有一定絮凝效果。將聚合后的液體聚合氯化鋁鐵絮凝劑在80℃條件下低溫烘干計(jì)得到固體聚合氯化鋁鐵絮凝劑,其紅外光譜分析結(jié)果及SEM結(jié)果見圖3和圖4。

圖2 赤泥基聚合氯化鋁鐵絮凝劑

圖3 赤泥基聚合氯化鋁鐵絮凝劑紅外光譜圖

由圖3可見,在3250～3650 cm-1間形成的吸收峰是由赤泥基高效活化劑中OH-基團(tuán)的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的;1550～1650 cm-1羥基橋連聚鐵和聚鋁聚合物的伸縮振動(dòng)峰,500～750 cm-1是Fe-O-Fe,Al-O-Al的伸縮振動(dòng)峰,說明赤泥基高效活化劑含有大量的鋁鐵聚合物,圖4掃描電鏡圖也印證了這一點(diǎn),赤泥基高效活化劑的微觀結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖4 赤泥基聚合氯化鋁鐵絮凝劑SEM圖

2.4 赤泥基聚合氯化鋁鐵絮凝劑對污泥沉降性能的影響

根據(jù)所記錄的沉降時(shí)間與沉降體積,計(jì)算得出了不同絮凝劑作用下市政原污泥的沉降壓縮比(沉降開始后30 min時(shí),泥柱體積與總體積的百分比),具體見表7。

表7 不同絮凝劑作用下污泥的沉降壓縮比

由表7可見,4#添加0.2%PAM的污泥柱沉降壓縮比最小,沉降效果好,3#添加10 mL液體赤泥基高聚合氯化鋁鐵絮凝劑的污泥柱沉降壓縮比次之,沉降效果良好,優(yōu)于同類商品絮凝劑(1#)。從沉降30 min時(shí)刻和12 h時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)照片也可以看出,對市政污泥沉降性能的改善效果從高到低依次是:4#-0.2%PAM>3#-液體赤泥基高聚合氯化鋁鐵絮凝劑>1#-同類商品聚合氯化鋁鐵絮凝劑>2#-空白(具體見圖5和圖6)。

圖5 不同絮凝劑作用下污泥的沉降性能的影響(30min后)

圖6 不同絮凝劑作用下污泥的沉降性能的影響(12h后)

3 結(jié) 論

(1)結(jié)合鋁鐵浸出條件研究結(jié)果,赤泥最佳浸出條件為:反應(yīng)時(shí)間2 h,反應(yīng)溫度為80℃,液固比7,鹽酸濃度6 mol/L。最佳聚合條件是:聚合時(shí)間4 h、pH值2.5、反應(yīng)溫度70℃、堿濃度2.0 mol/L。

(2)在最佳鋁鐵浸出條件及聚合條件下制得的赤泥基聚合氯化鋁鐵絮凝劑,鹽基度為66.90%,呈網(wǎng)狀互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

(3)通過考察不同絮凝劑對市政污泥沉降性能的影響,結(jié)果表明,對市政污泥沉降性能的改善效果從高到低依次是:PAM>液體赤泥基高聚合氯化鋁鐵絮凝劑>同類商品聚合氯化鋁鐵絮凝劑。

(4)采用高溫拜耳法赤泥制備的赤泥基聚合氯化鋁鐵絮凝劑對市政污泥沉降性能具有較好的改善作用,實(shí)際生產(chǎn)中還需要兼顧赤泥酸浸渣的資源化利用。