硫鐵礦燒渣直接制備聚合氯化硫酸鐵鋁的工藝研究

王書(shū)寧，呂麗莉，熊露露

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

聚合氯化硫酸鐵鋁(Polymeric aluminum ferric chloride sulfate, PAFCS)系日本70年代開(kāi)發(fā)研究的新型無(wú)機(jī)高分子絮凝劑[1]。由于可顯著降低水中渾濁粘土酸體的電荷和吸附帶負(fù)電荷的懸浮膠體微粒，絮凝和沉淀性能均佳，凈水效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)凈水劑[2]。聚合氯化硫酸鐵鋁的制備方法是以鋁鐵礦為原料[3]，而硫鐵礦渣作為生產(chǎn)硫酸的廢渣，用于制備聚合氯化硫酸鐵鋁具有重要的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益[4]。筆者以硫鐵礦燒渣為原料，直接制備聚合氯化硫酸鐵鋁絮凝劑，通過(guò)產(chǎn)品混凝效果實(shí)驗(yàn)的比對(duì)，優(yōu)化制備工藝，為硫鐵礦燒渣的綜合利用提供了思路[5-7]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及材料

磁力攪拌器，德國(guó)IKA公司；數(shù)顯控溫不銹鋼電熱板，江蘇友聯(lián)儀器研究所；721分光光度計(jì)，上海光學(xué)儀器廠；電子天平，瑞士METTLER TOLEDO公司。

表1 硫鐵礦渣的主要成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

濃硫酸，工業(yè)級(jí)，w= 90%，鄒平縣化工有限公司；鹽酸，工業(yè)級(jí)，w = 30%，青州圣陽(yáng)有限公司；硫酸鋁鉀(AR) , 阿拉丁試劑有限公司；超細(xì)高嶺土(1250目) , 阿拉丁試劑有限公司，其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

硫鐵礦燒渣(山東淄博硫酸廠)，其主要成分見(jiàn)表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 聚合硫酸鐵鋁的制備

將硫鐵礦燒渣經(jīng)研缽研磨粉碎，80目過(guò)篩，真空烘箱干燥；稱10 g樣品加入到燒杯中，按酸渣質(zhì)量比加入混酸，浸取一定時(shí)間后，過(guò)濾，濾液冷卻，攪拌下用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值，繼續(xù)保溫熟化2 h后，得紅棕色聚合氯化硫酸鐵鋁(PAFCS)液體樣品。工藝流程如下：

稱樣→混酸浸取→過(guò)濾→調(diào)節(jié)pH值→保溫熟化→液體PAFCS

1.2.2 混凝實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)水樣為自來(lái)水和高嶺土配制的模擬廢水，水樣pH值=7左右，濁度350左右。用燒杯取模擬廢水水樣500 mL，攪拌下加入5.0 g絮凝劑，快速攪拌10 min，靜置沉降2 h，取上清液測(cè)濁度去除率，比較沉降性能。

濁度去除率：η=(A0-A)/A0

η-濁度去除率；A0-處理前的模擬廢水吸光度值；A-處理后的模擬廢水吸光度值。

2 結(jié)果與討論

為獲得最佳的混酸浸取率，并充分利用硫酸，相同條件下，采用適當(dāng)比例的硫酸(w= 40%)和鹽酸(w= 20%)混酸為浸取液，一方面可避免鹽酸揮發(fā)，另一方面避免硫酸過(guò)度消耗[7]。為獲得產(chǎn)品最佳的制備工藝，分別考察了浸取過(guò)程中酸渣比、浸取溫度、浸取時(shí)間對(duì)混凝效果的影響。

2.1 浸取酸渣比對(duì)混凝效果的影響

浸取混酸與礦渣配比對(duì)浸取效果影響較大[9]，配比小，F(xiàn)e、Al浸出率低，配比大，過(guò)多的游離酸會(huì)降低產(chǎn)品鹽基度，影響混凝效果。

圖1 浸取酸渣比對(duì)混凝效果的影響

按混酸和礦渣質(zhì)量比進(jìn)行溶解，浸取溫度80℃，浸取時(shí)間2 h，分別考察酸渣比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1和5∶1時(shí)制備產(chǎn)品對(duì)混凝效果的影響，見(jiàn)圖1。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)酸渣比為3∶1時(shí)浸取所得產(chǎn)品對(duì)高嶺土模擬廢水濁度去除率為92%。說(shuō)明酸渣比對(duì)Fe、Al浸出率和鹽基度的影響會(huì)進(jìn)一步影響絮凝效果。

2.2 浸取溫度對(duì)混凝效果的影響

按酸渣比為3∶1進(jìn)行浸取實(shí)驗(yàn)，浸取時(shí)間2 h，分別考察浸取溫度為40、60、80、100和120℃時(shí)制備的產(chǎn)品對(duì)混凝效果的影響，見(jiàn)圖2。

圖2 浸取溫度對(duì)絮凝劑絮凝效果的影響

由圖2可知，在浸取溫度為40 ～ 120℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，絮凝劑對(duì)高嶺土模擬廢水濁度去除率先升高后略有降低。其中浸取溫度在80℃時(shí)去濁率最高為92%。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，提高了Fe、Al浸出的速度，但在100℃后，由于鹽酸揮發(fā)加劇，導(dǎo)致產(chǎn)品鹽基度下降，其電中和性能也下降，降低了混凝效果[9]。

2.3 浸取時(shí)間對(duì)混凝效果的影響

按酸渣比為3∶1進(jìn)行浸取實(shí)驗(yàn)，浸取溫度80℃，分別考察浸取時(shí)間為30、60、90、120和150 min時(shí)制備的產(chǎn)品對(duì)混凝效果的影響，見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著浸取時(shí)間的增長(zhǎng)，制備的絮凝劑對(duì)高嶺土模擬廢水濁度去除率逐漸升高。這是因?yàn)榻r(shí)間越長(zhǎng)， Fe、Al浸出率也越高，在2 h時(shí)，濁度去除率達(dá)到92%，之后趨于平衡，說(shuō)明一定溫度下，適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間會(huì)提高Fe、Al浸出率，從而進(jìn)一步提高了混凝效果。

圖3 浸取時(shí)間對(duì)絮凝劑絮凝效果的影響

2.4 最佳工藝條件制備的聚合氯化硫酸鋁鐵主要性能指標(biāo)

按酸渣質(zhì)量比為3∶1，浸取溫度80℃，浸取時(shí)間2 h，制得的PAFCS的主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 聚合氯化硫酸鐵鋁主要技術(shù)性能指標(biāo)

2.5 PAFCS投加量對(duì)混凝效果的影響

吸取制備的PAFCS絮凝劑分別稀釋1，2，5，10，20倍，進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)，考察投加相同體積不同濃度的PAFCS對(duì)混凝效果的影響，并與傳統(tǒng)絮凝劑硫酸鋁鉀進(jìn)行比較。

圖4 稀釋比例對(duì)絮凝效果的影響

由圖4可知，隨著稀釋倍數(shù)的增加，PAFCS濃度逐漸減少，濁度去除率也逐漸降低，但絮凝效果還是要優(yōu)于同濃度的硫酸鋁鉀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)硫鐵礦渣直接制備的聚合氯化硫酸鋁鐵絮凝劑具有一定的絮凝效果，從制備工藝，原料等方面較傳統(tǒng)絮凝劑有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

本文以硫酸工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的硫鐵礦燒渣為主要原料制備PAFCS絮凝劑，通過(guò)混凝實(shí)驗(yàn)探究其最佳的制備工藝條件：酸渣質(zhì)量比為3∶1，浸取溫度為80℃，浸取時(shí)間為2 h。在此條

件下制備的PAFCS處理高嶺土模擬廢水濁度去濁率達(dá)到92%，混凝效果優(yōu)于傳統(tǒng)硫酸鋁鉀絮凝劑。以廢硫酸和廢鹽酸為原料，可進(jìn)一步降低PAFCS的生成成本，更有利于環(huán)境保護(hù)。