用鐵礦石制備聚硅硫酸鐵混凝劑及其應用研究

2010-01-22 11:32:37羅道成劉俊峰

中國礦業 2010年9期

羅道成，劉俊峰

(湖南科技大學化學化工學院，湖南湘潭 411201)

混凝劑在環境保護領域，特別是廢水處理方面起著十分重要的作用[1,2]。因此，新型高效混凝劑的研究，已成為環境保護領域的研究熱點之一[3-11]。聚硅硫酸鐵(PFSS)是一種復合型高效無機高分子混凝劑，兼有鐵鹽的電中和作用和聚硅酸的吸附架橋能力，且安全無毒，具有廣闊的應用前景。鐵礦石是一種煉鐵原料，由于鐵礦石中含有許多有機雜質，如果直接酸浸，將影響混凝劑的質量。本文以鐵礦石為原料，將鐵礦石先進行煅燒，然后再酸浸制備硫酸鐵；再以制備的硫酸鐵和硅酸鈉為原料，制備了無機高分子混凝劑聚硅硫酸鐵(PFSS)。研究了PFSS混凝劑制備的適宜條件，并考察了PFSS處理工業廢水效果，同時在相同條件下，與聚合硫酸鐵(PFS)處理該工業廢水效果進行比較。結果表明，PFSS的混凝性能明顯優于PFS。

1 實驗部分

1.1 主要原料和儀器

鐵礦石取自湘潭某鋼鐵廠，經分析，其化學組成為：TFe 63.3%，FeO 0.25%，Fe2O389.94%，Al2O32.08%，SiO24.16%，CaO 0.4%，其他3.17%；硅酸鈉、硫酸、氫氧化鈉均為分析純；工業廢水，取自湖南湘潭某化工廠廢水池，COD 1021.5mg/L，濁度804.1mg/L，色度 413.9倍，pH 6.9；分析測試試劑均為分析純；配制溶液均使用蒸餾水。

DBJ-621型六聯定時攪拌機；pHS-3C型酸度計；AB204-E型電子分析天平；Tur555型濁度儀；CS-501SP型超級數量恒溫器；馬弗爐。

1.2 硫酸鐵的制備

將研磨為-200目的鐵礦粉放入馬弗爐中，在800℃溫度下煅燒一定時間，冷卻后，取出備用。在常溫常壓下，將一定比例的鐵礦粉和被稀釋過的濃硫酸置于一個帶有攪拌裝置的500ml燒瓶中，然后在100℃條件下反應一段時間，冷卻，過濾，即得含有硫酸鐵溶液，測定其中Fe3+濃度。

1.3 PFSS混凝劑的制備

準確稱取一定量的硅酸鈉，加蒸餾水配成一定濃度的溶液，用硫酸或氫氧化鈉溶液調節其pH值，室溫下聚合一段時間后，加入一定量制備的硫酸鐵溶液，熟化后所得棕色液體即為PFSS混凝劑。

1.4 混凝實驗

在室溫下，用量筒取500mL工業廢水于1L燒杯中，加入一定量的PFSS混凝劑，先在400r/min轉速下快速攪拌3～5min，再在60r/min轉速下慢速攪拌15min，靜置20min，取上層清液進行分析，測定其COD、色度和濁度，并分別計算其去除率。

1.5 分析方法

COD采用重鉻酸鉀法測定；濁度采用濁度儀測定；色度采用稀釋倍數法測定；pH值采用酸度計測定；Fe3+濃度測定以磺基水楊酸為指示劑，采用EDTA絡合滴定法。

2 結果與討論

2.1 PFSS的制備條件對PFSS混凝性能的影響

2.1.1 S iO2含量對FFSS混凝性能的影響

在室溫下，控制硅酸活化時間為40min，硅酸活化的pH為2，PFSS溶液中Fe3+的質量濃度為300mg/L，鐵與硅摩爾比為0.50，考察了SiO2含量對PFSS混凝性能的影響，結果見表1。由表1可知，SiO2的質量分數<3%時，隨著SiO2質量分數的增大，PFSS對廢水中COD、色度、濁度去除率增大。當SiO2的質量分數>3%時，隨著SiO2質量分數的增大，PFSS對廢水中COD、色度、濁度的去除率反而減小。這是由于SiO2含量過高，導致聚合度過高，造成凝膠，影響了PFSS的混凝效果。故SiO2質量分數以3%為宜。

2.1.2 硅酸活化的pH值對PFSS混凝性能的影響

在室溫下，控制SiO2的質量分數為3%，硅酸活化時間為40min，PFSS溶液中Fe3+的質量濃度為300mg/L，鐵與硅摩爾比為0.50，考察了硅酸活化的pH值對PFSS混凝性能的影響。結果見表2。由表2可知，當硅酸活化的pH在1～6范圍內，PFSS對廢水中COD、色度去除率有一定的影響。PFSS對廢水中濁度去除率影響不大。并且當硅酸活化的pH值為2時，PFSS對廢水中COD、色度和濁度去除率達到最大。同時在實驗中發現，當硅酸活化的pH值大于6時，PFSS溶液很快變成凝膠，無法使用。因此，選擇硅酸活化的pH值為2。

表1 SiO2含量對PFSS混凝性能的影響

表2 硅酸活化的pH值對PFSS混凝性能的影響

2.1.3 硅酸活化時間對PFSS混凝性能的影響

在室溫下，SiO2的質量分數為3%，硅酸活化的pH值為2，PFSS溶液中Fe3+的質量濃度為300mg/L，鐵與硅摩爾比為0.50，考察了硅酸活化時間對PFSS混凝性能的影響。結果表明，硅酸活化時間在10～60min范圍內，PFSS對廢水中COD、色度、濁度去除率均影響不大，其中COD去除率在84.5%～86.8%之間，色度去除率在91.5%～93.2%之間，濁度去除率在94.9%～96.1%之間。同時在實驗中發現，當硅酸活化時間為10min時，PFSS產品不穩定，5d后出現凝膠。因此，綜合考慮，硅酸活化時間選擇40min。

2.1.4 鐵與硅摩爾比對PFSS混凝性能的影響

在室溫下，控制SiO2質量分數為3%，硅酸活化時間為40min，硅酸活化的pH值為2，PFSS溶液中Fe3+的質量濃度為300mg/L，考察了鐵與硅摩爾比對PFSS混凝性能的影響，結果見表3。由表3可知，鐵與硅摩爾比對PFSS處理廢水中濁度去除率影響不大，對COD、色度去除率影響較大。當鐵與硅摩爾比在0.25～1.0范圍時，鐵與硅摩爾比小于0.50時，隨著鐵與硅摩爾比增大，COD、色度去除率增大，當鐵與硅摩爾比大于0.50時，隨著鐵與硅摩爾比增大，COD、色度去除率反而減小。這是因為鐵與硅摩爾比小于0.50時，隨著鐵含量的增加，PFSS水解產生的多核羥基化合物增加，COD、色度去除率增大；在鐵與硅摩爾比大于0.50時，由于鐵含量過高后，活性硅酸的含量下降，不利于對懸浮物的吸附架橋和卷掃聚集，使COD、色度去除率下降。因此，選擇鐵與硅摩爾比為0.50。

表3 鐵與硅摩爾比對PFSS混凝性能的影響

2.2 PFSS投加量對混凝效果的影響

在室溫下，控制PFSS溶液中Fe3+的質量濃度為300mg/L，廢水的pH值為7，考察了PFSS投加量對混凝效果的影響，結果見表4。由表4知，廢水中COD、色度、濁度去除率均隨PFSS投加量增加而提高。當PFSS投加量增至100 ml/L時，COD、色度、濁度去除率增加變緩；當PFSS投加量超過125 ml/L時，COD、色度、濁度去除率反而減小。這是因為在混凝過程中，高分子PFSS的一端首先吸附于膠粒上，而另一端隨時可以通過碰撞接觸吸附其他膠粒，起到架橋的作用。投藥量太小，膠粒表面沒有吸附足夠的PFSS分子，難以形成大的絮體，混凝效果差。而投藥量超過最佳值時，每個膠粒都吸附了多余的PFSS分子，則這種膠粒沒有空余表面，架橋作用所必須的粒子表面吸附活性點小了，因而架橋變得困難[12]。同時，又由于膠粒間相互排斥作用而出現分散穩定現象，使形成的絮凝體重新變成穩定的膠體，并產生Fe3+的黃色，從而導致COD、色度、濁度去除率減小。因此，PFSS的適宜投加量為100～125ml/L，考慮成本因素，PFSS投加量以100ml/L為宜。

2.3 廢水pH值對PFSS混凝效果的影響

在室溫下，控制PFSS溶液中Fe3+的質量濃度為300mg/L，PFSS投加量以100ml/L，考察了廢水的pH值對PFSS混凝效果的影響，結果見表5。由表5可知，廢水的pH值對PFSS處理廢水的混凝效果影響較大。廢水的pH值在5～9之間時，PFSS對廢水中COD、色度、濁度去除率均較高，其中廢水的pH值為7時，PFSS對廢水中COD、色度、濁度去除率均達到最大值。這是因為廢水pH值在5～9之間時，PFSS中鐵離子的水解反應正常，分子鏈伸展，架橋作用增強，混凝效果較好。廢水的pH值較低，一方面對PFSS中鐵離子水解不利，對最終形成Fe(OH)3不利；另一方面，會抑制PFSS中多核羥基陽離子配合物等以OH-作為架橋形成多核正電配離子的過程，高分子鏈卷曲，架橋距離縮短，從而影響混凝效果。廢水中pH值過高，多鐵核羥基配合物就變成氫氧化鐵溶膠，導致分子鏈卷曲，架橋作用減弱，使絮凝效果下降。因此，廢水的pH值以7為宜。