粉煤灰制備聚硅酸鋁鐵及其應用研究

張燕華 葛建新

（河源職業(yè)技術學院 廣東 河源 517000）

隨著水處理技術的發(fā)展，在飲用水、工業(yè)硬水軟化、工業(yè)廢水處理中，高效、價廉、無毒的新型高分子絮凝劑越來越受到重視。 目前，聚硅酸金屬鹽類絮凝劑作為無機高分子新型水處理劑[1]，其研究已成為熱點，得到了迅速發(fā)展，聚硅酸鋁鐵(PSAF)是國內(nèi)外開發(fā)最早的品種之一，具有電中和凝聚、吸附架橋及網(wǎng)捕卷掃作用，廣泛應用于污水處理中[2]。

粉煤灰是從火力發(fā)電廠煙道氣里回收的工業(yè)廢渣，主要成分是SiO2和Al2O3，含量約占其重量的70%～80%。 然而，在工業(yè)運用中粉煤灰利用率不足40%，大部分堆積廢棄，這使得粉煤灰的綜合利用問題成為當今國內(nèi)外環(huán)境科學的重要研究課題[3-4]。 本文就以粉煤灰為原料制備出無機高分子絮凝劑PSAF，并將其用于廢水處理中，不僅可以達到充分利用粉煤灰中礦物成分，實現(xiàn)以廢治廢，變廢為寶的目的，還可產(chǎn)生良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑與儀器

實驗所用的粉煤灰取自廣東省某發(fā)電廠，其主要成分列于表1。

表1 粉煤灰的主要化學成分

試劑：鹽酸、氫氧化鈉、濃硫酸、碳酸鈉、高錳酸鉀等均為分析純，工業(yè)級聚合氯化鋁（PAC）

儀器：pHS-3C 型精密pH 計；EU-210 電子分析天平；HJ-3 定時恒溫磁力攪拌器；A JJ-4A 型六聯(lián)電動攪拌機；馬弗爐； 篩子；SGZ-400Ⅰ光電濁度儀；721 型可見分光光度計等。

1.2 聚硅酸鋁鐵的制備

粉煤灰在干燥箱內(nèi)烘干， 烘干后的粉煤灰研磨過篩，加入11.5g 無機助溶劑NaCO3于10g 粉煤灰中， 攪拌均勻后放入瓷方舟中，在馬弗爐(900℃)焙燒一段時間，冷卻后，將產(chǎn)物碾碎后放入燒杯中， 加入一定濃度的鹽酸， 并恒溫加熱至90℃， 酸浸1h， 使硅、 鋁浸入溶液， 然后過濾得上清夜，用NaOH 調(diào)節(jié)溶液pH，熟化一段時間，所得產(chǎn)品即是絮凝劑聚硅酸鋁鐵PSAF。該產(chǎn)品為淺黃色半透明液體，比重1.1～1.25，pH 值0.9～1.4。

1.3 廢水水樣

在自來水中， 加入經(jīng)100 目過篩的硅藻土充分攪拌混勻，靜置沉降30min，吸取一定量的上層濁度水，再用硫酸調(diào)pH 至中性，此廢水濁度為40NTU。

1.4 實驗測定方法

混凝實驗：取水樣1L 于燒杯中，將燒杯置于六聯(lián)電動攪拌機上，向水樣中加入一定量的絮凝劑，先快速(250r/min)攪拌1min，再慢速（60r/min）攪拌10min，停止攪拌后靜置20～25min， 用吸管取上清液液面下2～3cm 處水樣， 進行水質(zhì)分析。

濁度的測定：用濁度儀測定廢水的濁度。

吸光度的測定：用紫外可見分光光度計，測定混凝前后廢水的吸光度，根據(jù)下式計算溶液的脫色率：

脫色率=（1-A/A0）×100%

式中，A0為廢水混凝前測定的吸光度，A 為混凝沉淀后的吸光度。

2 結果與討論

2.1 正交實驗表

按照上述制備方法制備PSAF 絮凝劑， 由于其絮凝性能主要受焙燒時間、酸浸時間、pH 值和熟化時間影響，故本次實驗主要考慮上述四個因素，每個因素有三個水平，設計正交實驗確定最佳制備條件。 實驗正交表見表2。

2.2 實驗結果分析

根據(jù)上述所設計的9 組正交實驗，往每組實驗中投入等量的PSAF 絮凝劑，進行了混凝實驗，測定其濁度去除率，實驗結果見表3。

表2 L9(34)正交實驗因素水平表

表3 混凝實驗結果

在混凝過程中，投加絮凝劑PSAF 于廢水后，形成礬花速度快，礬花大而厚實，沉降性能好。 從表3 的極差R 大小可知， 影響PFASS 絮凝劑的絮凝性能主次順序為酸的濃度、焙燒時間、pH 值、熟化時間。 從實驗結果可知各因素較佳的水平條件分別為： 鹽酸的濃度30%、 焙燒時間60min、pH 值為1、熟化時間24h。

為了進一步驗證正交實驗的合成PSAF 最佳制備條件，將在最佳制備條件制成的PFASS 按照上述實驗方法進行混凝實驗，其形成的礬花速度快且更大，沉降性能好，濁度去除率達到98.1%。

2.3 PSAF 絮凝劑的應用研究

（1）PSAF 絮凝機理

PSAF 絮凝劑中含有聚硅酸大分子， 聚硅酸依靠表面羥基的氫鍵作用可以吸附許多其他分子，隨著硅酸聚合，分子量不斷增大和并聯(lián)成網(wǎng)狀，吸附架橋能力增強，聚合度增大，具有較強的吸附架橋和網(wǎng)捕能力，能使難溶化合物及細小的顆粒從水中分離出來[5]。

PSAF 絮凝劑中含有大量的Fe3+、Al3+，在水中會發(fā)生逐級水解反應， 同時水解產(chǎn)物之間還會發(fā)生羥基橋聯(lián)聚合反應，生成高電荷絡離子，如Fe2(OH)24+、Fe4O(OH)46+、A12(OH)42＋、Al3(OH)54+等。 這些高電荷絡離子的吸附電中和作用較強，能降低水中膠體雜質(zhì)的電位，膠體雜質(zhì)失穩(wěn)而凝聚，同時形成聚合物也具有吸附架橋能力。

因此，在處理廢水時，PSAF 絮凝劑結合了聚硅酸和金屬離子的優(yōu)勢，集電中和凝聚、吸附架橋、沉淀網(wǎng)捕于一體[6]。 正是由于這些絮凝機理的共同作用的結果，使得PFASS 具有很好的絮凝沉降性能。

（2）絮凝效果比較

為了進一步探討PSAF 的絮凝效果， 考察PSAF 對實際廢水的絮凝效果。 取廣東某印染廠印染廢水，其組分以活性染料和分散染料為主，其水質(zhì)見表4。用稀硫酸調(diào)節(jié)印染廢水pH 值為7 左右，用在最佳制備條件制成的PSAF 絮凝劑對其進行處理，并與聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鐵（PFS）絮凝劑處理該廢水的結果進行對比，結果見表5。

表4 印染廢水水質(zhì)

表5 不同絮凝劑處理印染廢水效果對比

從表5 可知，PSAF、PAC、PFS 對印染廢水都具有一定的處理效果， 其中PSAF 的處理效果明顯優(yōu)于PAC、PFC 的效果。 印染廢水經(jīng)PSAF 絮凝劑處理后，COD 去除率達83.8%，濁度去除率達95.2%，脫色率達95.9%。

3 結論

3.1 采用粉煤灰制備高效PSAF 絮凝劑，技術上可行，工藝簡單，原料來源廣，生產(chǎn)成本低，并可變廢為寶。

3.2 制備PSAF 的最佳條件為鹽酸的濃度30%、 焙燒時間60min、pH 值為1、熟化時間24h。

3.3 PSAF 對印染廢水COD 去除率達83.8%，濁度去除率達95.2%，脫色率達95.9%，綜合效果明顯優(yōu)于PAC、PFC。

［1］郭旭穎.粉煤灰絮凝劑聚硅酸鋁鐵的制備工藝研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2006.

［2］楊代貴，歐恒春，梁玉龍.聚硅酸鋁鐵（PSAFS）制備方法研究[J].重慶工商大學學報，2005，22(1)：35-39.

［3］張愛勇，肖羽堂，張萌.改性粉煤灰在難降解工業(yè)廢水處理中的應用[J].工業(yè)水處理，2006，26 (11)：7－11.

［4］Fan M ,Robert Cb ,Thomas Dw, et al. Production of Complex Coagulant From Fly Ash [J] . Chem Eng J, 2005,106 ：269－277.

［5］孔德仁.聚合硅酸硫酸鋁鐵絮凝劑的制備與性能機理研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2006：57-59.

［6］張孟存.聚合硅酸硫酸鋁鐵的研制及其絮凝性能[J].水處理技術，2008，34(9)：61-64.