用粉煤灰和工业盐酸生产高效絮凝剂聚合氯化铝铁

摘要: 利用粉煤灰和工业盐酸为主要原料,添加适量铝酸钙粉,制备出絮凝剂聚合氯化铝铁。对影响聚合氯化铝铁制备的因素,如粉煤灰的预处理温度、盐酸浓度、盐酸用量、反应温度和铝酸钙粉用量等进行了研究,得到了制备聚合氯化铝铁的优化条件,同时将该絮凝剂用于工业污水的处理。研究结果表明:制备的絮凝剂絮凝效果优于一些传统的絮凝剂;同时具有原料易得,制造成本低的优势。

关键词: 粉煤灰;工业盐酸;絮凝剂;聚合氯化铝铁;制备;污水处理

Abstract: A new type flocculant-polymeric aluminum ferric chloride was prepared. The main material was fly ash, and the other material was calcium aluminum. The effects of the optimum conditions were given in the experiment. The flocculating effect of the polymeric aluminum ferric chloride was researched in the treatment of practical industrial wastewater. Experimental results showed that the flocculating effect was superior to other traditional flocculants and has advantage of few dosage and quick sedimentation. It was a high effective flocculant.

Key words: red mud; industrial hydrochloric acid; flocculant; polymeric aluminum ferric chloride; preparation; wastewater treatment

粉煤灰是发电厂最大的污染物,随着我国发电厂、城市供热工程不断增加,粉煤灰的产量也随之增多。以2006年的火电发电量计算,当年我国火电厂产生约2.4～2.9亿t粉煤灰和0.2～0.3亿t炉渣,居世界之首[1]。目前国内粉煤灰利用率只有30%～40%左右[2],发电厂大都将粉煤灰输送堆场堆存。粉煤灰堆存不但要占用大量的土地,污染环境,还使粉煤灰中的许多可利用成分得不到合理利用,造成资源浪费。因此对粉煤灰的综合利用是解决粉煤灰污染,实现循环经济的根本途径。

工业盐酸是硫基复合肥副产品,每生产1吨复合肥要副产0.3吨工业盐酸,对盐酸下游产品的开发也是解决工业盐酸出路,提高复合肥厂效益的有效途径。

聚合氯化铝铁是一种新型高效铝铁复合絮凝剂,该絮凝剂既有聚合铝盐基度高、对原水适应性强的特点,又有聚合铁密度大、絮体沉降快的优点[3]。它可克服铝盐处理后水样残余铝浓度高、沉降速度慢的不足,因此应用前景广阔。

本文利用粉煤灰中的残余的铝、铁制备一定铝铁比例的聚合氯化铝铁,实现资源的综合利用。将经过处理的粉煤灰与一定浓度的工业盐酸在一定的条件下反应制备铝铁的碱式盐,然后加入铝酸钙粉调节产品的盐基度和铝铁含量,得到一定碱化度和铝铁比的聚合氯化铝铁。

1 试验原料与方法

1.1 主要原料

基本原料:以山东某发电厂粉煤灰为基本原料,经分析其化学组成如下:Al2O3 23.76%,FeT9.52%,SiO2 58.06%,CaO 3.16%,其他5.50%。

其他原料:工业盐酸(公司副产品,浓度31%);铝酸钙粉(市售,Al2O3 含量53%)

1.2 主要仪器

722型分光光度计;JJ-4型电动搅拌机。

1.3 试验方法

1.3.1 聚合氯化铝铁的制备

将粉煤灰焙烧后研磨过120目筛。常压下,按一定配比将粉煤灰和一定浓度的工业盐酸加入带有回流冷凝管的四口烧瓶中,在一定温度下反应一定时间后,再加入适量铝酸钙粉,在一定温度下继续反应一定时间后,停止加热,陈化后得到深红棕色液体。

1.3.2 试验污水水质

污水取自某造纸厂污水,其具体水质指标见表1。

1.3.3 絮凝试验

取500mL污水于烧杯中,用盐酸或氢氧化钠溶液调节水样的pH值,加入一定量的絮凝剂,以350r/min快速搅拌2min,然后以80r/min慢速搅拌8 min,停止搅拌,静止沉降15min,在液面下2～3cm处取适量上清液,测定其COD值和浊度。

2 结果与讨论

2.1 聚合氯化铝铁制备条件研究

2.1.1 盐酸浓度对Al2O3和FeT溶出率的影响

在试验条件下,改变盐酸的浓度,测定其对粉煤灰中Al2O3和FeT溶出率的影响,试验结果如图1所示。由图1知,盐酸浓度越高,Al2O3和FeT溶出率也越大,但增大的幅度却逐渐减小。当盐酸浓度为22%时,Al2O3和FeT溶出率分别为82.8%和90.3%。当盐酸浓度大于22%时,Al2O3和FeT溶出率增加幅度却逐渐减小。盐酸浓度大,挥发损失较多,对操作和环境均有不利影响,且会提高生产成本。而盐酸浓度太低,有反应较慢,氧化铝和全铁溶出率低的缺点。综合考虑,本试验选择浓度为22%的工业盐酸。

2.1.2 盐酸用量对溶出率和盐基度的影响

在试验条件下,改变盐酸(浓度为22%)的用量,测其对粉煤灰中Al2O3和FeT溶出率及盐基度的影响,试验结果见图2和图3。

由图2和图3知,Al2O3和FeT溶出率随着酸加入量的增加而增大,而盐基度却随着加酸量的增加而减小,所以必须加入适量的盐酸才可以得到具有一定溶出率和盐基度的溶出液。若盐酸加入量过少,Al3+和Fe3+的水解反应就进行的比较彻底,最终产物的盐基度会过大,导致生成沉淀而不稳定;若加入盐酸量过多,则最终产物的盐基度过小,影响产品的絮凝效果。当加酸量大于500mL时,溶出率的增加幅度变化不大,而盐基度下降明显,为了得到一定溶出率和盐基度的溶出液,本试验选择加酸量为500mL。

2.1.3 反应温度对溶出率的影响

在试验条件下,改变反应温度,测其对Al2O3和FeT溶出率和盐基度的影响,试验结果见图4。

酸溶出反应是吸热反应,而随后的水解反应是放热反应,因而反应温度是影响产物聚合氯化铝铁性能的一个重要指标。由图4可知,反应温度越高,Al2O3和FeT溶出率及产品的盐基度也越高,并且大大缩短反应时间。当温度超过95℃后,Al2O3和FeT溶出率增加幅度不大,而盐酸蒸发损失严重,增加操作成本;而温度太低,反应进行缓慢,综合考虑,本试验选择反应温度为95℃。

2.1.4 铝酸钙粉投加量的确定

在试验条件下,固定其他因素不变,改变铝酸钙粉投加量,研究其对溶液中的铝含量和盐基度的影响,试验结果见图5和图6。

粉煤灰中铝含量太低,不能满足溶出液中铝含量的要求,必须投加铝酸钙粉来提高产品中的铝含量,同时加入铝酸钙粉,还可以调节溶液的pH值,制得具有一定盐基度的聚合氯化铝铁。由图5和图6可知,溶出液中的铝含量和盐基度均随加入铝酸钙粉的增加而增大。铝酸钙粉投加量过低,则铝含量和盐基度都较低,达不到良好的絮凝效果;而投加量过高,则产品易产生糊状沉淀而因此不稳定,因此本试验选择铝酸钙粉的投加量为50g.

絮凝剂絮凝性能的比较

在试验条件下,采用不同的絮凝剂处理某造纸污水,试验结果见表2。

由表2可知,PAFC去除浊度和COD效果均比PAC絮凝剂要好,且PAFC具有生成絮体速度快,矾花大而密实,残余色度小,沉降速度快等优点。

3.结论

用粉煤灰与工业盐酸反应,浸出粉煤灰中的氧化铝和全铁,在加入铝酸钙粉调节pH值来合成聚合氯化铝铁絮凝剂,试验证明此工艺路线可行。粉煤灰制备聚合氯化铝铁的优化工艺条件为:在100g粉煤灰(干基)中加入22%的工业盐酸500mL和适量水,在95℃条件下反应3h,再加入铝酸钙粉调节盐基度和铝铁含量比,在95℃条件下继续反应4h,制备出聚合氯化铝铁。产物用于某造纸污水处理,其絮凝性能优于PAC,是一种性能良好的高效絮凝剂。

参考文献:

[1]刘伟,工程质量管理与系统控制,武汉,武汉大学出版社,2004

[2]顾慰慈,建设项目质量监控,北京,中国建材出版社,2003