新型無機高分子絮凝劑的制備研究

詹志鵬，任佳靜，魏 強，侯宏波，黃輔亮

(陜西理工學院化學與環境科學學院，陜西 漢中 723000)

1 引言

我國是一個煤炭消耗大國。近年來，隨著經濟的快速發展，資源消耗量也在同步增加。其中，煤炭燃燒后的煤灰不僅會占用大量的土地，而且其中含有的大量有毒有害物質(如重金屬)易造成地表水、地下水和大氣環境的污染，危害人體健康和破壞生態平衡［1］。因此，必須采取必要的措施，變廢為寶，提高能源利用率。本文通過對燒盡的粉煤灰進行一系列的處理，浸取出其中的Al、Fe用于制備無機高分子絮凝劑聚合氯化鋁鐵，并對制備的絮凝劑的適用范圍進行研究，旨在為粉煤灰的綜合利用提供參考。

2 材料與方法

2.1 實驗材料及儀器

原料為粉煤灰，產自銅川，過60目篩密封備用，經分析，其中所含的元素成分如表1所示。

表1 銅川煤灰的元素分析

主要儀器為Cary－50型紫外－可見分光光度計(美國瓦里安公司)、722－N型分光光度計(上海精密科學儀器有限公司)、ZR4－6混凝試驗攪拌機(深圳市中潤水工業技術發展有限公司)、PHS—3C型精密酸度計(上海精密科學儀器有限公司)、電子天平(梅特勒－托利多儀器(上海)有限公司)、MH－1000調溫型電熱套(北京科偉永興儀器有限公司)、電熱恒溫鼓風干燥箱(上海森信實驗儀器有限公司)、馬弗爐、溫度計、冷凝管等。

主要試劑為鹽酸溶液(1∶1)、氫氧化鈉溶液(0.5mol·L－1)、二苯胺磺酸鈉、硫酸銅(5g·L－1)、重鉻酸鉀(0.02mol·L－1)、酚酞、硫酸溶液(1∶1)、磷酸溶液(15∶85)、硝酸溶液(1∶12)、氨水(1∶1)、乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)、乙酸、乙酸鈉、氟化鉀(500 g·L－1)、氯化鋅(0.5mol·L－1)、百里酚藍、二甲酚橙、三氯化鈦溶液、鎢酸鈉等均為分析純。

2.2 實驗方法

2.2.1 粉煤灰的活化

準確稱取6.00g粉煤灰置于坩堝中，在馬弗爐溫度為800℃下，加熱2h，即得活化粉煤灰。

2.2.2 液態聚合氯化鋁鐵的制備

將活化后的粉煤灰置于150mL磨口燒瓶中，加入17mL鹽酸(1∶1)、0.5g四氧化三鐵、1mL NaClO，加熱、攪拌2h后取出。靜置熟化24h，過濾，即得液態聚合氯化鋁鐵絮凝劑，待測。

2.2.3 聚合氯化鋁鐵的指標檢測方法

(1)氧化鋁。稱取 3.2g液體試樣，精確至0.0002g，用蒸餾水溶解，移入100mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻。若稀釋液渾濁，用中速濾紙過濾，此試液為A。用移液管移取10.00mL稀釋液或干過濾溶液，置于250mL錐形瓶中，加入10mL硝酸溶液，煮沸1min。冷卻至室溫后加入20.00mL乙二胺四乙酸二鈉溶液，加百里酚藍溶液3～4滴，用氨水溶液中和至試液從紅色到黃色，煮沸 2min。冷卻后加入10mL乙酸—乙酸鈉緩沖溶液和2～4滴二甲酚橙指示溶液，用氯化鋅標準滴定溶液滴定至溶液由淡黃色變為微紅色即為終點，同時做空白試驗，氧化鋁含量的計算式如下。

公式中，v0為空白試驗消耗的氯化鋅標準滴定溶液的體積，mL;v為測定試樣消耗的氯化鋅標準滴定溶液的體積，mL;c為氯化鋅標準滴定溶液的實際濃度，mol·L;m為試料的質量，g;M為氧化鋁的摩爾質量的數字，單位為 g·mol－1(M=101.96)。

(2)全鐵。準確移取25.00mL試液A，置于錐形瓶中，加入鹽酸(1∶1)溶液、硫酸(1∶1)溶液各10mL和鎢酸鈉指示液1mL。在不斷搖動下逐滴加入三氯化鈦溶液直至溶液剛好出現藍色為止。用水沖洗錐形瓶內壁，并稀釋至約150mL，加入2滴硫酸銅溶液，充分搖動，待溶液的藍色消失后，加入磷酸溶液10mL和2滴二苯胺磺酸鈉指示液，立即用重鉻酸鉀標準溶液滴定至紫色(30s不褪色)即為終點。全鐵含量的計算式如下。

公式中，W鐵為試樣中全鐵的質量百分含量，%;c為重鉻酸鉀標準溶液之物質的量濃度，mol·L－1;V為重鉻酸鉀標準溶液消耗之體積，mL;m為稱取試樣之質量，g;0.05585為與 1.00mL重鉻酸鉀標準溶液［C(1/6K2Cr2O7)=1.000mol·L－1］相當的，以克表示的鐵的質量。

(3)鹽基度。移取25.00mL試液A，置于250mL磨口瓶中，加20mL鹽酸標準溶液，接上磨口瓶冷凝管，煮沸回流2min，冷卻至室溫。轉移至聚乙烯杯中，加入20mL氟化鉀溶液，搖勻。加入5滴酚酞指示液，立即用氫氧化鈉標準滴定溶液滴定至溶液呈現微紅色即為終點。同時用不含二氧化碳的蒸餾水作空白試驗。鹽基度的計算式如(3)式。

允許差:取平行測定結果的算術平均值作為測定結果，平行測定結果的絕對差值不大于2.0%［2］。

3 結果與分析

3.1 聚合氯化鋁鐵的制備

3.1.1 加熱溫度對聚合氯化鋁鐵制備的影響

固定反應時間為 2h，料液比(g·mL－1)為 6∶17，改變加熱溫度分別為 75℃、80℃、85℃、90℃、95℃，用上述的方法制備絮凝劑，觀察不同加熱溫度對聚合氯化鋁鐵制備的影響，對其中的指標進行檢測，結果如表2所示。

表2 不同加熱溫度對聚合氯化鋁鐵制備的影響

通過表2以看出，對于加熱溫度的變量，溫度的升高對鋁的溶出率有明顯提高，對鐵的溶出率則影響不大，主要是因為粉煤灰中的Si－Al鍵在酸的處理下斷裂，溶出Al，而大量的Al溶出，必定消耗較多的H+，使鐵的溶出相較于鐵的溶出微弱。基于“Al/Fe=9∶1，B=2.0 和 Al/Fe=5∶5，B=1.5 兩種參數條件下制備的絮凝劑絮凝效果最好［3］”的絮凝劑最優指標的思想，確定聚合氯化鋁鐵的最佳反應溫度為90℃。

3.1.2 料液比對聚合氯化鋁鐵制備的影響

固定加熱溫度為85℃，反應時間為2h，改變料液比分別為 5∶16、6∶16、5∶17、6∶17、7∶17，制備絮凝劑，并觀察不同料液比對聚合氯化鋁鐵制備的影響，對其中的指標進行檢測，結果如表3所示。

表3 不同料液比對聚合氯化鋁鐵制備的影響

通過表3 可以看出，在5∶16、6∶16 兩試樣中，鋁、鐵的溶出率隨著物料的投加量的增加而增大，但在5∶17、6∶17、7∶17中，鋁、鐵的溶出率隨著物料的投加量的增加而減小。基于絮凝劑最優指標的思想，確定聚合氯化鋁鐵的最佳料液比為5∶17。

3.2 反應時間對聚合氯化鋁鐵制備的影響

固定加熱溫度為85℃，料液比(g·mL－1)為5∶17，改變反應時間分別為 0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、2.5h，制備絮凝劑，并觀察不同反應時間對聚合氯化鋁鐵制備的影響，對其中的指標進行檢測，結果如表4所示。

表4 不同反應時間對聚合氯化鋁鐵制備的影響

通過表4可以看出，在固定其它兩個變量為最佳條件的前提下，反應時間的變化對聚合氯化鋁鐵的鹽基度有明顯的影響，堿基度越高，表明化合物中的羥基比例越高。Al3+和Fe3+水解形成的聚合物聚合度就越高，其有效成分的電中和能力和粘結架橋能力就越強，故而絮凝性能就越好。但是，堿基度又不宜過高，否則就會使聚合物中的羥基趨于飽和，生成難溶的氫氧化物膠粒，產品難以穩定存在［4］。所以基于絮凝劑最優指標的思想綜合考慮，確定出聚合氯化鋁鐵的最佳反應時間為1.5h。

4 結語

以粉煤灰為原料以鹽酸為提取劑，通過上述的實驗研究，可以得出制備聚合氯化鋁鐵的較適宜條件為:反應溫度為90℃，料液比為5∶17，反應時間為1.5h。

對于制備的聚合氯化鋁鐵，不僅要保證有好的鋁鐵溶出率，同時要注意鹽基度的控制，因為堿基度越高，表明化合物中的羥基比例越高，其有效成分的電中和能力和粘結架橋能力就越強，故而絮凝性能就越好。但是，堿基度過高，又會使聚合物中的羥基趨于飽和，生成難溶的氫氧化物膠粒，使產品不穩定，且在反應溫度、料液比、反應時間3個變量中，反應時間對鹽基度的影響最為強烈，必須謹慎控制。

［1］陳祥榮，王明智.粉煤灰的資源化利用與循環經濟［J］.再生資源，2009(11):34～38.

［2］張占梅.聚合氯化鋁鐵絮凝劑的制備及絮凝性能研究［D］.重慶:重慶大學，2006.

［3］胡勇有，寧尋安.羥基聚合氯化鋁鐵混凝劑制備參數的確定［J］.水處理技術，2001，27(2):87 ～88.

［4］胡弘鯤.聚合氯化鋁鐵的制備及其應用研究［D］.成都:四川大學，2002.