利用鋁型材廠廢鋁渣制備聚合氯化鋁的研究*

劉細(xì)祥，吳啟琳，史兵方，蘭翠玲

（百色學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)系，廣西百色533000）

環(huán)境·健康·安全

利用鋁型材廠廢鋁渣制備聚合氯化鋁的研究*

劉細(xì)祥，吳啟琳，史兵方，蘭翠玲

（百色學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)系，廣西百色533000）

以鋁渣為原料，研究聚合氯化鋁的制備工藝。通過單因素實(shí)驗(yàn)法考察了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、鹽酸濃度、液料比（鹽酸鋁渣體積質(zhì)量比）4個(gè)因素對氧化鋁溶出率的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過正交實(shí)驗(yàn)，確定最佳工藝條件為：反應(yīng)溫度為90℃、反應(yīng)時(shí)間為30 min、鹽酸濃度為8 mol/L、液料比為1.5 mL/g。在最優(yōu)的條件下，氧化鋁的溶出率為13.01%。將自制的聚合氯化鋁用于處理造紙中段廢水，結(jié)果令人滿意。

鋁渣；聚合氯化鋁；鋁型材廠

中國已成為世界鋁型材生產(chǎn)大國，鋁型材產(chǎn)量連續(xù)5 a穩(wěn)居世界第一位［1］。鋁型材生產(chǎn)過程中需進(jìn)行表面清洗，會產(chǎn)生大量的廢水，目前廢水一般采用中和調(diào)節(jié)及混凝沉淀法工藝處理［2］，得到大量的鋁渣，大多數(shù)工廠采用填埋的方法處理這些鋁渣。這樣不僅占用土地而且還浪費(fèi)資源、污染環(huán)境，嚴(yán)重制約著鋁型材加工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，因此尋找鋁渣的綜合利用途徑迫在眉睫。目前鋁渣的綜合利用已經(jīng)有些報(bào)道［3-4］。筆者以南寧某鋁型材加工廠鋁材表面處理廢渣為研究對象，采用一步酸溶法［5］制備聚合氯化鋁，并將自制聚合氯化鋁處理實(shí)際工業(yè)造紙廢水，為鋁渣制備聚合氯化鋁工業(yè)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以期待為鋁渣的綜合利用尋找一條新途徑，實(shí)現(xiàn)以廢治廢的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

哈納HI2214酸度計(jì)；COD快速測試儀；ZNCLTS智能數(shù)顯磁力攪拌電熱套；ZR4-6型混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)；AL204型精密電子天平。

鋁渣（采樣于南寧某鋁型材加工廠）；造紙中段廢水（采樣于百色某造紙公司制漿工段）；鋁酸鈣粉；HCl（AR）。

1.2 聚合氯化鋁的制備

稱取40 g干燥的鋁渣于500 mL三口燒瓶中，加入一定量的鹽酸，置于磁力攪拌器中加熱攪拌一段時(shí)間后，即得到液態(tài)聚合氯化鋁產(chǎn)品。測定產(chǎn)品中的Al2O3含量和鹽基度，并計(jì)算出Al2O3的溶出率。Al2O3含量和鹽基度的測定參照國標(biāo)方法進(jìn)行［6］。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溫度對Al2O3溶出率的影響

按照1.2實(shí)驗(yàn)方法，分別在60、70、80、90、100℃條件下進(jìn)行反應(yīng)，考察反應(yīng)溫度對Al2O3溶出率的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，反應(yīng)溫度小于80℃時(shí)，Al2O3溶出率隨反應(yīng)溫度的升高而增大；當(dāng)溫度為80℃時(shí)，Al2O3溶出率達(dá)到最大值，為9.18%；當(dāng)溫度大于80℃時(shí)Al2O3溶出率逐漸降低。主要是由于，溫度升高使鹽酸的揮發(fā)量增大，進(jìn)而影響Al2O3溶出率，而且溫度越高，反應(yīng)能耗越大，會增加聚合氯化鋁的生產(chǎn)成本。綜合考慮，選擇最佳反應(yīng)溫度為80℃。

圖1 反應(yīng)溫度對Al2O3溶出率的影響

2.2 反應(yīng)時(shí)間對Al2O3溶出率的影響

按照1.2實(shí)驗(yàn)方法，在80℃條件下分別反應(yīng)10、20、30、40、60、80 min，考察反應(yīng)時(shí)間對Al2O3溶出率的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，反應(yīng)時(shí)間小于30 min時(shí)，Al2O3溶出率隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而增加；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)，Al2O3溶出率達(dá)到最大值，為9.63%；但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過30 min時(shí)，Al2O3溶出率有所下降。這可能是由于，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加產(chǎn)品中的不溶物對溶出的Al3+吸附嚴(yán)重，導(dǎo)致Al2O3溶出率下降。綜合考慮反應(yīng)效率和能耗，選擇最佳反應(yīng)時(shí)間為30 min。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對Al2O3溶出率的影響

2.3 鹽酸濃度對Al2O3溶出率的影響

按照1.2實(shí)驗(yàn)方法，在80℃條件下反應(yīng)30 min，分別考察鹽酸濃度為 4、6、8、10、12 mol/L對 Al2O3溶出率的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，鹽酸濃度在4～8 mol/L時(shí)，Al2O3溶出率隨著鹽酸濃度的增大而增加；鹽酸濃度為8 mol/L時(shí)，Al2O3溶出率為9.90%；當(dāng)鹽酸濃度超過8 mol/L時(shí)，Al2O3溶出率趨于穩(wěn)定?？紤]實(shí)際生產(chǎn)過程中，鹽酸濃度加大會加劇對反應(yīng)設(shè)備的腐蝕，另外一般工業(yè)廢酸的濃度可達(dá)到8 mol/L，在實(shí)際生產(chǎn)中可以用工業(yè)廢酸替代鹽酸進(jìn)行反應(yīng)，故可降低聚合氯化鋁的生產(chǎn)成本。因此選擇最佳鹽酸濃度為8 mol/L。

圖3 鹽酸濃度對Al2O3溶出率的影響

2.4 液料比對Al2O3溶出率的影響

圖4 液料比對Al2O3溶出率的影響

按照1.2實(shí)驗(yàn)方法，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，考察液料比（鹽酸鋁渣體積質(zhì)量比）對Al2O3溶出率的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，反應(yīng)開始時(shí)Al2O3溶出率隨著液料比的增大而增大，當(dāng)液料比為1 mL/g時(shí)，Al2O3溶出率達(dá)到10.11%，繼續(xù)增大液料比，Al2O3溶出率基本不變，這是由于當(dāng)液料比為1 mL/g時(shí)，溶解所需的鹽酸已經(jīng)充分過量，繼續(xù)增加鹽酸量不能增加Al2O3溶出率。綜合經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，選擇最佳液料比為1 mL/g。

2.5 正交實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝條件，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果選取3個(gè)水平，采用L9（34）進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)如表1所示，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀分析見表2。根據(jù)極差分析，各因素對鋁渣中Al2O3溶出率影響大小依次是A＞B＞C＞D，即反應(yīng)溫度影響最大，其次是反應(yīng)時(shí)間、鹽酸濃度、液料比，其中反應(yīng)溫度對Al2O3溶出率起決定性作用。從表2可以看出，最優(yōu)工藝組合為 A3B2C2D3，即反應(yīng)溫度為90℃、反應(yīng)時(shí)間為30 min、鹽酸濃度為8 mol/L、液料比為1.5 mL/g。在最優(yōu)的條件下，Al2O3的溶出率為13.01%。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀分析

2.6 產(chǎn)品性能

將鋁渣的鹽酸溶解液加入一定量的鋁酸鈣，在80～90℃下反應(yīng)2 h后冷卻至室溫，所得液體即為聚合氯化鋁產(chǎn)品。對產(chǎn)品性能指標(biāo)進(jìn)行測試，測定結(jié)果為：黃褐色液體，w（Al2O3）為10.50%，鹽基度為85%，pH為3.64，密度為1.25 g/mL。從測定的性能指標(biāo)看，用鋁渣制備的聚合氯化鋁各項(xiàng)性能均達(dá)到工業(yè)用聚合氯化鋁國家標(biāo)準(zhǔn)［6］。

2.7 產(chǎn)品應(yīng)用

用在正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的最佳條件下制備的聚合氯化鋁進(jìn)行水樣處理，水樣為百色某紙廠中段廢水，原水水質(zhì)指標(biāo)：pH=6.28，COD為1 095 mg/L。取1 L水樣加入到混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)燒杯中，加入800 mg/L自制聚合氯化鋁，300 r/min攪拌1 min，150 r/min攪拌3 min，60 r/min攪拌 7 min，靜置，取上清液分析COD，測得處理后水樣COD為778 mg/L，COD去除率為28.9%。

3 結(jié)論

以鋁渣為原料，通過單因素和正交實(shí)驗(yàn)，確定聚合氯化鋁最佳制備工藝條件為：反應(yīng)溫度為90℃、反應(yīng)時(shí)間為30 min、鹽酸濃度為8 mol/L、液料比為1.5 mL/g。在最優(yōu)的工藝條件下，Al2O3的溶出率為13.01%。將自制的聚合氯化鋁用于處理造紙中段廢水，COD去除率為28.9%，結(jié)果令人滿意。本研究開辟了鋁渣綜合利用的新途徑，達(dá)到以廢治廢的目的，對促進(jìn)鋁型材加工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

［1］ 鐘明峰，蘇達(dá)根，張志杰，等.鋁型材生產(chǎn)廢水廢渣的處理與綜合利用［J］.廣州化工，2007，35（6）：51-53.

［2］ 劉宏，向寓華，劉碧雄.鋁型材廢水的處理工藝［J］.工業(yè)水處理，2008，28（6）：79-81.

［3］ 郭艷玲.采用煉鋁渣制造的陶瓷材料［J］.耐火與石灰，2012，37（2）：36-41.

［4］ 劉艷春，曾令可，祝杰，等.利用鋁型材廠工業(yè)廢渣制備莫來石質(zhì)耐火材料［J］.陶瓷學(xué)報(bào)，2010，31（3）：484-489.

［5］ 李風(fēng)亭，陶孝平，高燕，等.聚合氯化鋁的生產(chǎn)技術(shù)與研究進(jìn)展［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2004，36（6）：4-9.

［6］ GB/T 22627—2008 水處理劑聚氯化鋁［S］.

Study on preparation technology of poly aluminum chloride using aluminium dregs from aluminum formation product factory

Liu Xixiang，Wu Qilin，Shi Bingfang，Lan Cuiling
（Department of Chemistry and Life Science，Baise University，Baise 533000，China）

Preparition technology of poly aluminum chloride with aluminum dregs as raw material was studied.Effects of reaction temperature，reaction time，hydrochloric acid concentration，and ratio of liquid to solid（volume/mass ratio of HCl to aluminum dregs）on the leaching rate of alumina were studied by single factor analysis method.Based on single factor experiment，the orthogonal experiment design was used to optimize the preparation conditions.The optimal preparation conditions were as follows:reaction temperature was 90℃，reaction time was 30 min，hydrochloric acid concentration was 8 mol/L，and ratio of liquid to solid was 1.5 mL/g.Under these conditions，the leaching rate of alumina was 13.01%.Wastewater in middle course of papermaking had been treated by self-made poly aluminum chloride and the result of the experiment was satisfactory.

aluminum dregs；poly aluminum chloride；aluminum formation product factory

TQ133.1

A

1006-4990（2014）04-0053-03

2013-10-14

劉細(xì)祥（1983— ），男，講師，碩士，主要從事環(huán)境化學(xué)方面的教學(xué)和研究工作，已發(fā)表論文7篇。

廣西高等學(xué)校一般資助科研項(xiàng)目（201203YB170）。

聯(lián)系方式：liuxixiang2008@qq.com