張曉蕾，姜麗艷

(內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

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絮凝劑聚合硫酸鋁鐵的制備及性能研究

張曉蕾，姜麗艷

(內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

工業(yè)污水處理一直是困擾我國工業(yè)發(fā)展工業(yè)的難題，合理高效地進(jìn)行工業(yè)水處理，是節(jié)約用水和減少排污的主要措施。而水處理劑的研發(fā)和使用是控制工業(yè)污水中有毒有害物質(zhì)，進(jìn)而阻止污泥的形成，使得工業(yè)污水達(dá)到環(huán)境排放及重復(fù)利用的標(biāo)準(zhǔn)的有效手段之一。本文以鋼廠廢渣和粉煤灰合成新型絮凝劑聚合硫酸鋁鐵，通過正交實(shí)驗(yàn)確定了最佳工藝條件。并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。揭示了水處理劑與污水的作用規(guī)律，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與理論價(jià)值。

絮凝劑；聚合硫酸鋁鐵；水處理

我國是一個(gè)水資源短缺的國家，大力發(fā)展水處理化學(xué)品對(duì)于解決我國水資源缺乏問題起到至關(guān)重要的作用。

水處理劑是工業(yè)用水、生活用水、廢水處理過程中必需的化學(xué)藥劑，通過使用水處理劑，可使工業(yè)用水、生活用水、廢水得到治理，達(dá)到一定的質(zhì)量要求。水處理劑根據(jù)其作用不同可分為緩蝕劑、阻垢劑、凝聚劑、絮凝劑、消泡劑、脫色劑、螯合劑、殺菌劑、分散劑、清洗劑、預(yù)膜劑、除氧劑及離子交換樹脂等。

常用的絮凝劑按照化學(xué)特性可分為有機(jī)及無機(jī)兩大類。用得最早最多最廣的是無機(jī)絮凝劑，而無機(jī)高分子絮凝劑主要有聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鋁(PAS)、聚合硫酸鐵(PFS)和聚合氯化鐵(PAFC)。PAFC尚處于研制開發(fā)階段，其它幾種已有定型產(chǎn)品。目前PAFC、PAFS等在國內(nèi)已研制成功，部分已得到推廣，而且用量以每年20%～25%的速度增長[1]。

本文就是重點(diǎn)報(bào)道用赤鐵礦粉一步法合成固體或液體PAFS，以及它對(duì)黃河水、工業(yè)污水的凈化效果，以期作為電廠水處理的主要藥劑。

1 聚合硫酸鋁鐵的制備

1.1 制備原理

含有較多的鐵并以Fe2O3形式存在的赤鐵礦易溶于酸。粉煤灰中含有較多的鋁，既可以為復(fù)合型絮凝劑的制備提供鋁還可以提供少量鐵。由于粉煤灰的酸溶性較差在合成反應(yīng)前需對(duì)粉煤灰在特定條件下用酸浸泡，溶出粉煤灰中的大部分鋁。粉煤灰對(duì)廢水中有機(jī)物和色度有一定的物理吸附作用，在較高溫度下用酸浸取后，表面或微孔變得粗糙，比表面積增大、活性增加，可以進(jìn)一步增強(qiáng)有機(jī)物和色度的吸附能力。使得合成的絮凝劑具有物理吸附和化學(xué)絮凝雙重作用，可有效去除水中的各種污染物質(zhì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)所需物料及儀器

物料：工業(yè)用硫酸；原料一：赤鐵礦粉末，紅褐色，粒度300目；原料二：電廠靜電除塵器粉煤灰，粒度300目。

儀器：250 mL，500 mL，1000 mL三口瓶； PhS-3C型精密酸度計(jì)；WH8401-50型多功能攪拌器；

WXG-型電接點(diǎn)溫度計(jì)；HWC-52恒溫水浴。

1.3 制備方法

將原料一100 g放入三口瓶中，再加入100 g水，在攪拌的

條件下緩慢加入一定量濃硫酸，保持70 ℃恒定溫度，預(yù)反應(yīng)24 h使物料中的鐵最大限度地溶于液相中，反應(yīng)過程中加入適量水，保持液位不變。 預(yù)反應(yīng)后，加入一定量的粉煤灰助劑，升溫進(jìn)行聚合反應(yīng)，同時(shí)取樣測Fe3+的含量，要求Fe3+>160 g/L,再降溫到98 ℃，保持98 ℃溫度反應(yīng)12 h(必要時(shí)加入少量MNO2作為催化氧化劑)，測Fe2+含量使Fe2+>1 g/L。條件滿足降溫到75 ℃維持2 h，再將料液放入40～50 ℃的水浴中靜置過夜，析出上層液即為產(chǎn)品。反應(yīng)機(jī)理[2]如下：

1.4 合成正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

1.4.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

確定評(píng)價(jià)指標(biāo)：本試驗(yàn)選取合成產(chǎn)品的鹽基度和合成產(chǎn)品的去濁率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

確定因素與水平：經(jīng)探索性試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)e/Al摩爾比、反應(yīng)時(shí)間、濃硫酸加入量、反應(yīng)溫度等對(duì)產(chǎn)品的性能和絮凝效果有較大影響，因此決定選取以上4個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)不同水平進(jìn)行比較，因素及水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素及水平

按照L9(34)正交表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 L9(34)正交表及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.4.2 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析表(對(duì)產(chǎn)品鹽基度)

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析表(對(duì)產(chǎn)品去濁率)

2 產(chǎn)物性質(zhì)

2.1 性質(zhì)測定

2.1.1 pH 值的測定

配制產(chǎn)物的水溶液，濃度為1%，用苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液和四硼酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定酸度計(jì)。將溶液倒入燒杯中測定溶液pH值。

2.1.2 鹽基度的測定[3]

準(zhǔn)備0.5 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液、酚酞、0.5 mol/L HCl、50%KF溶液。試樣中加入鹽酸溶液，加入氟化鉀掩蔽鋁離子，用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定。

分析步驟：稱取約2.0 g液體試樣或約0.8 g固體試樣，精確至0.0001 g。取20～30 mL水放入250 mL錐形瓶中，加入25 mL鹽酸溶液，沸水浴中加熱10 min。冷卻至室溫加入 25 mL KF溶液，滴入酚酞指示劑，用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液呈紅色即為終點(diǎn)，同時(shí)用蒸餾水作空白試驗(yàn)。

鹽基度(X)以百分比表示，按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：V0——空白試驗(yàn)消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL

V——測定試樣消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL

C——?dú)溲趸c標(biāo)準(zhǔn)溶液的實(shí)際濃度,mol/L

m——試樣質(zhì)量,g

X1——氧化鋁含量, %

0.01699—1.00 mol氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液[C(NaOH)=1.000 mol/L]相當(dāng)?shù)囊钥吮硎镜难趸X(Al2O3)的質(zhì)量

2.1.3 氧化鋁含量的測定[4]

準(zhǔn)備0.05 mol/L EDTA溶液、乙酸鈉緩沖溶液、1:12的硝酸溶液、500 g/L氟化鉀、0.0200 mol/L氯化鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液、1 g/L硝酸銀溶液、5 g/L二甲酚橙溶液。向試樣中加酸解聚,用過量的EDTA溶液與鋁及其他金屬離子絡(luò)合。用氯化鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定剩余的EDTA,用 KF溶液解析鋁離子。

準(zhǔn)確量取液體試樣8.0～8.5 g；稱取固體試樣2.8～3.0 g，并加水溶解。分別置入500 mL容量瓶中，稀釋至刻度。分別取20mL溶液置于250mL錐形瓶中，分別加入2 mL硝酸銀溶液煮沸1 min后冷卻，再加入20 mL EDTA溶液、乙酸鈉緩沖溶液調(diào)節(jié)pH=3，再煮沸2 min后冷卻，再加入乙酸鈉緩沖溶液10 mL、指示劑，用氯化鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點(diǎn)。

加10 mL氟化鉀溶液，加熱稍沸后冷卻，溶液呈黃色，氯化鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點(diǎn)。記錄第二次滴定消耗的氯化鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積(V)。

以質(zhì)量百分比表示氧化鋁(Al2O3)含量(X1)按公式(2)計(jì)算：

(2)

式中：V——第二次滴定消耗氯化鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL

C——氯化鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液的實(shí)際濃度，mol/L

m——試樣的質(zhì)量，g

0.05098——與1.00 mol氯化鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液[C(ZnCl2)=1.000 mol/L]相當(dāng)?shù)囊钥吮硎镜难趸X的質(zhì)量

2.2 產(chǎn)品性能

PAFS是以鐵鹽為主、鋁鹽為輔的一種新型絮凝劑[5]，以國內(nèi)外的聚合硫酸鐵標(biāo)準(zhǔn)為參考進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表5。

表5 試驗(yàn)產(chǎn)品與國內(nèi)外同類產(chǎn)品性能指標(biāo)比較

3 結(jié) 論

用赤鐵礦粉、電廠粉煤灰為原料，可得鹽基度>12%、紅褐色、穩(wěn)定的液態(tài)聚合硫酸鋁鐵(PAFS)，若將原料預(yù)處理后再合成可得黃綠色固態(tài)聚合硫酸鋁鐵(PAFS)。本工藝成本低廉、經(jīng)濟(jì)性好，并且利用固體廢物，達(dá)到以廢治廢的目的。分析表明，合成的PAFS兼具鐵鋁絮凝劑的優(yōu)良性能，適應(yīng)原水水質(zhì)變化的能力強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于生活污水、工業(yè)污水及污染嚴(yán)重的水處理中，因此值得工業(yè)生產(chǎn)推廣應(yīng)用。

[1] 王雪楓,馬鳳云,董毅,等.高校無機(jī)絮凝劑-聚合鋁鐵的合成及應(yīng)用[J].新疆大學(xué)學(xué)報(bào).2001,18(1):99-104.

[2] 肖錦.我國絮凝劑發(fā)展的現(xiàn)狀與對(duì)策[A].1997年水處理技術(shù)研討會(huì)論文集[C].1997:9-14.

[3] 阮復(fù)昌,黃國水.鋁的生物毒性及其防止策略[J].環(huán)境污染與防治,1999,21(5):32-36.

[4] 阮復(fù)國,公國慶,莫炳祿,等.各種聚合硫酸鐵生產(chǎn)方法的評(píng)比[J].化學(xué)工業(yè)與工程,1997,14(1):55-60.

[5] 王化鵬,葛中巧.聚合氯化鋁鐵(PAFC)的制備及應(yīng)用性能[J].南都學(xué)壇:自然科學(xué)版,2000,20(3):59-60.

Preparation and Performance Research of Flocculant Polymerization Aluminum Sulfate Iron

ZHANGXiao-lei，JIANGLi-yan

(Inner Mongolia Chemical Engineering Professional College, Inner Mongolia Hohhot 010070, China)

Industrial wastewater treatment has always been a disturbing problem in Chinese industrial development.To treat industrial wastewater through an efficient and reasonable manner is the main measure to save water and reduce emissions.The development and application of water treatment chemicals is considered as one of effective means to control the content of toxic substances in industrial waste water and to retard the formation of sludge, which can help industrial wastewater approaching to the standards of environmental emissions and the repeating utilization of industrial wastewater.An idea of new flocculant polymerization aluminum sulfate composited by steel slag and fly ash and verified by experiment was presented.The optimum technological conditions were determined through orthogonal experiment.The principle of water treatment chemicals was revealed, it had important practical and theoretical values.

flocculant; poly-aluminum-ferric-sulfate(PAFS); water treatment

O61

A

1001-9677(2016)019-0129-03