煤矸石酸浸液制備聚硫酸鋁鐵的試驗研究

王 茜，孔德順

（六盤水師范學院 化學與化學工程系，貴州 六盤水 553004）

在煤礦建設和煤炭生產過程中排出大量煤矸石，僅貴州六盤水礦區每年產出煤矸石達1 000萬t［1－2］。六盤水礦區的煤矸石具有高鐵低鋁的特點，處理后可用于制備無機高分子絮凝劑聚硫酸鋁鐵（PAFS）。聚硫酸鋁鐵是一種復合絮凝劑，兼具鐵鹽沉降快、鋁鹽凈水效果好的優點，并且克服了鐵鹽殘余色度大、過量鋁鹽使用后殘留于水中危害性大的不足［3－4］。用煤矸石制備PAFS可實現煤矸石的資源化利用，同時也降低生產PAFS的原料成本，具有很好的環境效益和經濟效益。

試驗研究了用六盤水礦區的煤矸石制備PAFS，并考察了不同條件下制備的PAFS處理高嶺土模擬廢水的效果。

1 試驗部分

1．1 試驗原料

六盤水礦區煤矸石經粉碎、850℃下煅燒3h后，其化學成分見表1。煤矸石中鋁鐵質量分數分別為20．91%、14．31%。對煤矸石煅燒粉以硫酸浸出，鐵浸出率達98．6%，鋁浸出率達80%以上，鋁和鐵的總浸出率達86．93%［5］，浸出液滿足制備PAFS的要求。

表1 六盤水礦區煤矸石化學成分 %

1．2 試劑及儀器設備

試驗所用試劑有硫酸、硫酸鋁、硫酸鐵、碳酸鈉、氫氧化鈉，均為分析純；以及高嶺土，蒸餾水，市政自來水。

試驗所用設備有ARL9900XP＋型X射線熒光光譜儀，TD－2500型X射線多晶衍射儀，分析天平，HH－S2型數顯恒溫水浴鍋，JJ－1A型數顯電動攪拌器，pHS－25型酸度計，WGZ－1A型濁度計。

1．3 PAFS的制備

向煤矸石煅燒粉中加入一定濃度的硫酸溶液，攪拌浸出一定時間后過濾，濾液用硫酸鋁和硫酸鐵調整鐵鋁物質的量比，用1．0mol／L Na2CO3溶液調pH，然后在一定溫度水浴中聚合反應一段時間。聚合反應結束后，室溫下熟化一段時間，即得到產品PAFS。

1．4 高嶺土模擬廢水的配制與濁度測試

取3g高嶺土和800mL自來水，在燒杯中攪拌均勻，用濁度計測定其初始濁度。

向燒杯中加入0．5mL質量濃度為10g／L的PAFS溶液，用1．0mol／L NaOH溶液調節體系pH為7．0，然后以300r／min的攪拌速度攪拌1min，再以150r／min的攪拌速度攪拌2min，最后以50r／min的攪拌速度攪拌5min，之后靜置沉降一定時間后測定上清液濁度。

2 試驗結果與討論

2．1 體系pH對制備PAFS的影響

調節體系n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5，控制水浴溫度為80℃，聚合時間為6h，之后室溫下熟化24h。

聚合反應過程中，當體系pH高于0．8時生成黃色沉淀物，其XRD圖如圖1所示。可以看出，黃色沉淀物中含有一定量鐵和鋁，PAFS純度較低；而pH較低時，氫離子濃度過高，硫酸鐵和硫酸鋁的水解反應受到抑制，聚合反應速率較低，不利于PASF的形成。反應式如下：

從避免產生沉淀角度考慮，確定體系pH以0．8為宜。

圖1 黃色沉淀物的XRD圖

2．2 PAFS鐵鋁物質的量比對廢水去濁率的影響

在pH＝0．8、聚合溫度為80℃、聚合時間為6h、室溫下熟化24h條件下，在不同的鐵鋁物質的量比n（Fe2O3）／n（Al2O3）條件下制備PAFS，并用所制備的PAFS處理高嶺土廢水（靜置沉降30min），試驗結果如圖2所示。

圖2 鐵鋁物質的量比對PAFS去濁率的影響

由圖 2 看出：隨 PAFS 中n（Fe2O3）／n（Al2O3）增大，廢水濁度去除率增大；鐵鋁物質的量比為0．5時，廢水濁度去除率達97．1%；繼續提高鐵鋁物質的量比，廢水濁度去除率反而減小。這是因為隨鐵用量增加，PAFS聚合度提高；而鐵用量過高會減弱PAFS的電中和能力，從而降低絮凝效果［6］；鋁含量過高，形成的絮體明顯變得松散易碎，以致沉降速率下降，去濁率降低。綜合考慮，鐵鋁物質的量比以0．5為宜。

2．3 PAFS聚合溫度對廢水去濁率的影響

在pH＝0．8、n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5、聚合時間為6h、室溫下熟化24h條件下，在不同溫度下制備PAFS，并以所制備的PAFS處理高嶺土廢水（靜置沉降時間為30min），試驗結果如圖3所示。

圖3 PAFS聚合反應溫度對廢水去濁率的影響

由圖3看出：隨PAFS聚合溫度升高，廢水濁度去除率增大；當聚合溫度為80℃時，所制備的PAFS對廢水的去濁率達97．3%；繼續提高聚合溫度，廢水去濁率反而略有下降。提高聚合反應溫度有利于硫酸鋁和硫酸鐵聚合反應的進行，也有利于PAFS聚合度提高，進而對廢水處理效果更好。但聚合溫度不宜過高，因為溫度過高時會促進聚合反應過程中產生沉淀，從而降低PAFS對廢水的處理效果。綜合考慮，確定PAFS聚合反應溫度以80℃為宜。

2．4 PAFS聚合時間對廢水去濁率的影響

在pH＝0．8、n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5、聚合溫度為80℃、室溫下熟化24h條件下，聚合反應不同時間，以所制備的PAFS處理高嶺土廢水（靜置沉降30min）。不同聚合時間條件下制備的PAFS對高嶺土廢水的處理效果如圖4所示。

圖4 PAFS聚合時間對廢水去濁率的影響

由圖4看出：聚合反應6h得到的PAFS對高嶺土廢水的去濁率為97．7%；隨聚合反應時間延長，廢水濁度去除率逐漸降低，說明制備PAFS時聚合反應時間不宜過長，因為聚合時間過長，在水熱溫度較高條件下，生成的PAFS會有部分發生解聚反應，使得PAFS的聚合度降低，進而影響到與高嶺土形成的絮狀物變得細小，沉降速率減緩，從而使去濁率降低。綜合考慮，確定制備PAFS的聚合反應時間以6h為宜。

2．5 PAFS熟化時間對廢水去濁率的影響

熟化時間是指PAFS產品制得后的陳放時間。熟化過程中，PAFS內部結構發生變化，發展為更加穩定的狀態。對在pH＝0．8、n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5、聚合反應溫度為80℃、聚合反應時間為6h條件下制備的PAFS熟化不同時間，并分別用于處理高嶺土廢水（靜置沉降30 min）。熟化不同的PAFS對高嶺土廢水的處理效果如圖5所示。可以看出：隨熟化時間延長，PAFS對高嶺土廢水濁度去除率逐漸增大；熟化24h時，PAFS對廢水濁度去除率達97%；繼續延長熟化時間，廢水去濁率變化趨勢漸緩。這說明熟化時間對PAFS聚合度有明顯影響；但熟化24h后，聚硫酸鋁鐵的結構已較穩定，且具有較高的去濁效果：所以，從去濁效果及制備周期角度考慮，熟化時間確定為24h。

圖5 熟化時間對PAFS去濁率的影響

2．6 沉降時間對廢水濁度去除率的影響

用在pH＝0．8、n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5、聚合溫度80℃、聚合時間6h、室溫下熟化24h條件下制備的PAFS處理高嶺土廢水，考察沉降時間對廢水濁度去除率的影響，試驗結果如圖6所示。

圖6 沉降時間對廢水濁度去除率的影響

由圖6看出：隨沉降時間延長，廢水濁度去除率逐漸增大；當沉降30min時，濁度去除率達97．7%；沉降60min時，濁度去除率為98．9%；再繼續延長沉降時間，廢水濁度去除率變化不大。這說明延長沉降時間有利于PAFS與廢水中的細小顆粒絮凝，但超過一定時間后，PAFS聚合度已趨于穩定，不再受沉降時間的影響。因為在絮凝沉降過程中，PAFS與水中分散的顆粒物首先形成細小松散的絮狀物，足夠的沉降時間可以使此絮狀物能夠充分聚集生長為粗大結實的絮狀物，從而可提高去濁效果。綜合考慮，沉降時間為30min即可。

3 結論

六盤水地區的煤矸石通過煅燒、酸浸、配料、聚合、熟化工藝可以制備聚硫酸鋁鐵（PAFS），所制備的PAFS用于處理高嶺土模擬廢水，具有良好的去濁效果。本研究對于煤矸石的高附加值開發利用提供了一條新思路。

［1］孔德順，李志，李琳，等．六盤水礦區煤矸石理化性質及資源化利用分析［J］．煤炭工程，2013（7）：99－101．

［2］胡江良，楊亞玲，連明磊，等．用鋼渣煤矸石基聚合氯化鋁鐵絮凝劑處理洗煤廢水試驗研究［J］．濕法冶金，2013，32（2）：113－116．

［3］鄭懷禮，陳文源，張智，等．無機高分子復合混凝劑聚合硫酸鋁鐵的制備與應用［J］．重慶大學學報，2013，36（7）：114－120．

［4］劉峙嶸，方裕勛，艾衛青，等．聚合硫酸鋁鐵的制備及其活性成分分析［J］．濕法冶金，2002，21（4）：191－194．

［5］孔德順，吳紅．煤矸石除雜及堿融活化制取硅酸鈉的實驗研究［J］．無機鹽工業，2013，45（8）：42－44．

［6］王炳建，高寶玉，岳欽艷，等．新型無機高分子復合絮凝劑聚合硅酸鋁鐵絮凝效果研究［J］．山東大學學報：理學版，2003（12）：111－115．