含鋁廢渣制備聚硅酸鋁鐵絮凝劑處理造紙廢水

劉曉紅，荀開昺，楊方麒，邱舜國（南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西南昌330031）

含鋁廢渣制備聚硅酸鋁鐵絮凝劑處理造紙廢水

劉曉紅，荀開昺，楊方麒，邱舜國
（南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西南昌330031）

以鋁合金廢渣為原料制備了聚硅酸鋁鐵（PAFSC）絮凝劑。通過單因素實驗優(yōu)選出鹽酸浸取鋁合金廢渣最佳條件：反應(yīng)時間為20 min，反應(yīng)溫度為80℃，鹽酸濃度為6 mol/L，鹽酸與鋁物質(zhì)的量比為3∶1。在此條件下鋁的浸取率＞95%。用浸取鋁合金廢渣得到的氯化鋁溶液制備聚硅酸鋁鐵絮凝劑，并用于處理造紙廢水。當(dāng)聚硅酸鋁鐵絮凝劑投加量為400 mg/L時，其對造紙制漿廢水COD、色度的去除率分別達到68%、92%。聚硅酸鋁鐵絮凝劑處理造紙制漿廢水的效果優(yōu)于聚合氯化鋁（PAC）絮凝劑。

鋁合金廢渣；浸??；聚硅酸鋁鐵絮凝劑；處理；造紙廢水

聚硅酸鋁鐵絮凝劑具有吸附電中和作用和架橋網(wǎng)捕作用，克服了單獨Al3+或Fe3+為主體絮凝劑缺點，增效了彼此優(yōu)點［1］。制備聚硅酸鋁鐵絮凝劑多以無機礦物質(zhì)或工業(yè)廢料為原料，通過酸浸出其中的鋁和鐵制備聚硅酸鋁鐵絮凝劑。陳國斌等［2］將紅黃壤焙燒活化，用鹽酸浸取其中的鐵和鋁，加入硅酸鈉合成了聚硅酸氯化鋁鐵。景紅霞等［3］以粉煤灰、廢鋼渣和鋁屑為原料，制備了聚硅酸鋁鐵絮凝劑。高秀美等［4］采用鋼廠鹽酸酸洗廢液、鐵屑和含鋁礦石為原料，制備了聚硅酸氯化鋁鐵。俞尚清等［5］以粉煤灰和硫鐵礦燒渣為原料制備了聚硅酸氯化鋁鐵絮凝劑。張巍巍等［6］將粉煤灰混合純堿焙燒后滴加鹽酸，浸取Fe3+和Al3+，制備了聚硅酸氯化鋁鐵絮凝劑。馬同森等［7］以合成后未熟化的液體聚硅酸氯化鋁鐵絮凝劑加入一定量硬脂酸鈉，聚合制備了納米級聚硅酸氯化鋁鐵。筆者以鋁合金廢渣為原料，用鹽酸浸取其中的鋁進而合成聚硅酸鋁鐵絮凝劑，用于處理造紙廢水，其對廢水脫色和COD去除效果均優(yōu)于聚合氯化鋁（PAC）。目前從鋁合金廢渣中浸取鋁制備聚硅酸鋁鐵絮凝劑并用于處理造紙廢水還未見報道。

1　實驗部分

1.1原料、試劑與儀器

原料：鋁合金門窗鋸屑（合金牌號為LD3），主要成分及含量 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：Al，88.07%；Si，0.2%～0.6%；Mg，0.39%～0.45%；Cu，≤0.1%；Fe，≤0.35%；Mn，≤0.1%；Zn，≤0.1%；Cr，≤0.1%；Ti，≤0.1%；其他。試劑：氯化鐵、硅酸鈉、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸亞鐵、氟化銨等，均為分析純。儀器：HH型恒溫水浴鍋；JJ-1型電動攪拌機；85-2型恒溫磁力攪拌器；GZX-9140型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱；PHS-3E型pH計；TU1901型紫外可見分光光度計；Spectrum 2000 FTIR紅外光譜儀。

1.2酸浸鋁合金廢渣

鹽酸浸取鋁合金廢料原理：

鋁合金門窗鋸屑約80%粒度小于1.70 mm。挑出雜質(zhì)并篩分，將粒度小于1.70mm廢渣放在150μm標(biāo)準(zhǔn)篩中，用水沖洗，然后放入烘箱干燥。稱取一定量廢渣加入三口燒瓶，置于恒溫水浴中，在攪拌條件下緩慢滴加一定濃度的鹽酸，反應(yīng)一段時間后趁熱過濾并洗滌，合并濾液和一洗液，計量濾液和一洗液體積，檢測溶液中鋁的含量。

1.3PAFSC制備

將鋁合金廢渣浸取液三氯化鋁溶液配成濃度為0.8 mol/L，按比例加入濃度為0.8 mol/L的FeCl3溶液，在高速攪拌下滴加NaOH溶液調(diào)節(jié)堿化度。反應(yīng)熟化1 h后加入一定量活化硅酸鈉溶液再反應(yīng)2 h，得到液體聚硅酸鋁鐵絮凝劑。將液體絮凝劑置于烘箱中干燥，研磨成粉末得到固體絮凝劑。

1.4PAFSC處理造紙廢水

取100 mL稀釋100倍并調(diào)節(jié)pH為5.5的廢水于250 mL燒杯中，稱取一定量絮凝劑加入燒杯中，將燒杯置于30℃恒溫水浴鍋中，快速攪拌1 min，慢速攪拌2min，使絮凝劑充分溶解后絮凝，靜置30min，取上清液檢測COD和色度。

1.5檢測方法和表征

廢渣中鋁含量測定采用EDTA絡(luò)合滴定法；酸浸液中鋁含量測定采用EDTA絡(luò)合滴定法；鋁浸取率=濾液中鋁的質(zhì)量/鋁合金廢渣中鋁的質(zhì)量；廢水色度去除率測定采用稀釋倍數(shù)法；廢水COD去除率測定采用重鉻酸鉀法。

2　結(jié)果與討論

2.1從鋁合金廢渣中浸取鋁實驗條件確定

用鹽酸浸取鋁合金廢渣，鋁的浸取率較高，不需要預(yù)先煅燒廢渣。酸解水平與浸取溫度、鹽酸濃度、鹽酸用量、浸取時間等有關(guān)。

1）反應(yīng)時間的確定。實驗條件：反應(yīng)溫度為60℃，鹽酸和鋁物質(zhì)的量比為3∶1，HCl濃度為4 mol/L?？疾旆磻?yīng)時間對Al浸取率的影響，結(jié)果見圖1。鹽酸浸取廢渣屬氣-液-固三相反應(yīng)過程，含外擴散、內(nèi)擴散和化學(xué)反應(yīng)等多個步驟。由圖1看出，反應(yīng)10 min時Al的浸取率為85.61%；隨著反應(yīng)時間的增加Al的浸取率快速增加，反應(yīng)20 min時Al的浸取率為89.32%，屬快速反應(yīng)；反應(yīng)20 min以后Al的浸取率開始下降，這可能是隨著反應(yīng)時間的增加溶出的Al3+吸附在不溶物表面，使得Al的浸取率有所下降。因此選擇反應(yīng)時間為20 min。

2）反應(yīng)溫度的確定。實驗條件：鹽酸與鋁物質(zhì)的量比為3∶1，反應(yīng)時間為20 min，HCl濃度為4 mol/L?？疾旆磻?yīng)溫度對鋁浸取率的影響，結(jié)果見圖2。由圖2看出，反應(yīng)溫度對鋁浸取率的影響較大，Al的浸取率隨溫度呈正相關(guān)關(guān)系。反應(yīng)溫度為80℃時Al的浸取率為92.66%，鋁的浸取率較高。反應(yīng)溫度過高，反應(yīng)加劇，鹽酸揮發(fā)及水分蒸發(fā)速率加大，產(chǎn)生煙霧，且容易爆沸噴出。因此選擇反應(yīng)溫度為80～90℃。

圖1　反應(yīng)時間對鋁浸取率的影響

圖2　反應(yīng)溫度對鋁　浸取率的影響

3）鹽酸濃度的確定。實驗條件：鹽酸與鋁物質(zhì)的量比為3∶1，反應(yīng)溫度為80℃，反應(yīng)時間為20 min?？疾禧}酸濃度對鋁浸取率的影響，結(jié)果見圖3。實驗以改變加水量來調(diào)節(jié)鹽酸濃度。由圖3看出，Al浸取率隨HCl濃度的增加呈先增加后緩慢下降趨勢。鹽酸濃度較低時，單位體積內(nèi)HCl分子數(shù)量少，與廢渣中Al接觸機會少，故反應(yīng)速率低、Al的浸取率低；隨著HCl濃度提高，Al浸取率顯著增加，當(dāng)鹽酸濃度達到6 mol/L時，Al浸取率最高，達到94.23%。繼續(xù)提高HCl濃度，Al浸取率緩慢下降。這是因為HCl濃度升高，料液黏度增大，液膜阻力增加，流動性下降，混合不夠均勻；同時鹽酸濃度過高，反應(yīng)劇烈，在加熱過程中容易產(chǎn)生暴沸現(xiàn)象，不利于操作控制。HCl濃度過高，還會加大對設(shè)備的腐蝕性。綜合考慮，選擇HCl濃度為6mol/L。

4）鹽酸用量的確定。廢渣中鋁與鹽酸反應(yīng)生成可溶性鋁鹽，因此鹽酸加入量影響鋁的浸取率。實驗條件：反應(yīng)溫度為80℃，反應(yīng)時間為20 min，鹽酸濃度為6 mol/L?？疾禧}酸用量對鋁浸取率的影響，結(jié)果見圖4。鹽酸用量分別取理論值（鹽酸與鋁物質(zhì)的量比為3∶1）的0.8、0.9、1.0、1.1、1.2倍。由圖4看出，Al浸取率隨著鹽酸用量的增加而提高。這是因為，鹽酸用量增加，反應(yīng)體系中HCl分子與廢渣中Al接觸機會增加，所以Al浸取率提高。當(dāng)鹽酸用量為理論值1.0倍時，Al浸取率為94.25%；當(dāng)鹽酸用量為理論值1.1倍時，Al浸取率最高，為95.05%。鹽酸用量過大會增加堿化劑用量。因此選擇鹽酸用量為理論量1.0倍，即n（HCl）∶n（Al）=3∶1。

圖3　鹽酸濃度對鋁浸取率的影響

圖4　鹽酸用量對鋁　浸取率的影響

2.2PAFSC紅外表征

圖5為PAFSC紅外光譜圖。由圖5看出，在3 446 cm-1附近存在一個范圍很大的寬吸收峰，這是PAFSC中鋁、鐵離子與羥基鍵相連疊加形成的強吸收峰；在1 634 cm-1處的強吸收峰是羥基吸收峰；在1 100～975 cm-1處有一個吸收峰，是Si—O—Fe或Si—O—Al的伸縮振動導(dǎo)致，其透光度非常明顯；在591 cm-1處較寬吸收峰附近是Fe—O、Al—O彎曲振動吸收峰。根據(jù)紅外光譜圖分析表明，絮凝劑中存在Fe—O、Al—O及Si—O—Fe或Si—O—Al鍵，說明反應(yīng)物已經(jīng)有效形成無定形共聚物。

圖5　PAFSC紅外光譜圖

2.3PAFSC處理造紙廢水實驗

實驗廢水取自某造紙廠制漿工段洗滌廢水。廢水呈深黑色，COD為150 000 mg/L，pH=9.0～10.0。將原水稀釋100倍后測得COD為1 532 mg/L，pH= 9.12。將稀釋后廢水用鹽酸或NaOH調(diào)節(jié)pH（用pH計測定）為5.5。比較了自制PAFSC和市售PAC對廢水的處理效果，結(jié)果見圖6。由圖6看出，絮凝劑投加量＜0.5g/L時，PAFSC的絮凝效果優(yōu)于PAC；絮凝劑投加量＞0.5 g/L時，PAC的絮凝效果優(yōu)于PAFSC。這說明，采用PAC處理造紙廢水時，其投加量比PAFSC多才能達到更好的效果，但PAC達到的最優(yōu)絮凝效果依然不如PAFSC。由圖6可以看出，PAFSC的投加量為0.4 mg/L時，其對造紙廢水COD及色度的去除率分別達到68%和92%以上。

圖6　絮凝劑投加量對廢水脫色率（a）和COD去除率（b）的影響

3　結(jié)論

用鹽酸浸取鋁合金門窗鋸屑中的鋁來制備PAFSC工藝可行。優(yōu)化工藝條件：反應(yīng)時間為20 min，反應(yīng)溫度為 80℃，鹽酸濃度為 6 mol/L，n（HCl）∶n（Al）=3∶1。在此條件下鋁的浸取率＞95%，濾液中氯化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～15%。此浸取反應(yīng)屬于快速反應(yīng)。采用自制聚硅酸鋁鐵絮凝劑處理造紙廢水，絮凝效果優(yōu)于PAC。在PAFSC投加量為400 mg/L、廢水初始pH為5.5條件下，廢水COD及色度去除率分別達到68%和92%以上。

［1］張瑛，阮曉紅.水處理混凝劑及其發(fā)展方向［J］.污染防治技術(shù)，2003，16（4）：45-49.

［2］陳國斌，唐課文，朱政兵.聚硅酸氯化鋁鐵絮凝劑的研制和應(yīng)用［J］.湖南理工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，16（4）：47-49.

［3］景紅霞，李巧玲，王亞昆，等.從粉煤灰中制備聚硅酸鋁鐵絮凝劑及應(yīng)用研究［J］.化學(xué)工程師，2006（1）：9-11.

［4］高秀美，衣守志，王青臣.聚硅酸氯化鋁鐵絮凝劑的合成及其特性［J］.水資源保護，2007，23（3）：77-79.

［5］俞尚清，潘志彥，錢小飛，等.聚硅酸氯化鋁鐵絮凝劑制備及絮凝效果的研究［J］.環(huán)境污染與防治，2004，26（2）：121-123.

［6］張巍巍，鄭永杰，田景芝.聚硅酸氯化鋁鐵絮凝劑的制備及其應(yīng)用［J］.化工時刊，2012，26（11）：23-26.

［7］馬同森，樊忠昌.納米聚硅酸鋁鐵絮凝劑的制備和性能［J］.化學(xué)研究，2007，18（2）：24-27.

聯(lián)系方式：liu276326@163.com

Preparation of flocculant PAFSC by aluminium waste slag and application in pulping wastewater treatment

Liu Xiaohong，Xun Kaibing，Yang Fangqi，Qiu Shunguo
（School of Resources，Environmental&Chemical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

Flocculant PAFSC was prepared by aluminium alloy waste slag as raw material.Through the single factor experiment，the optimum conditions to leaching aluminium waste slag in hydrochloric acid were as follows：reaction time was 20 min，reaction temperature was 80℃，hydrochloric acid concentration was 6 mol/L，and amount-of-substance ratio n（HCl）∶n（Al）= 3∶1.The leaching rate of aluminium was more than 95%under these conditions.By leaching aluminium waste slag to get the aluminium chloride solution to produce the PAFSC and PAFSC was applied in pulping waste water treatment.Using 400 mg/L of the PAFSC to deal with the pulping wastewater，the COD removal rate and decolorization rate of pulping wastewater could reach 68%and 92%respectively.The effect of PAFSC was better than that of PAC（polyaluminium chloride）.

aluminium waste slag；leaching；flocculant PAFSC；treatment；pulping wastewater

TQ133.1

A

1006-4990（2016）03-0063-03

2015-09-22

劉曉紅（1963—），女，教授，研究方向為綠色化工。