高爐渣制備聚硅酸硫酸鋁鐵混凝劑

蘇 潔，陳莉榮，劉 文

（內蒙古科技大學 能源與環境學院，內蒙古 包頭 014010）

高爐渣制備聚硅酸硫酸鋁鐵混凝劑

蘇 潔，陳莉榮，劉 文

（內蒙古科技大學 能源與環境學院，內蒙古 包頭 014010）

以高爐渣為原料，分別采用酸浸及堿浸-酸化工藝得到鐵、鋁離子及聚硅酸，再將鐵、鋁離子引入聚硅酸制得聚硅酸硫酸鋁鐵（PSAFS）混凝劑。考察了PSAFS的聚合條件對焦化廢水混凝效果的影響，并與市售混凝劑進行了對比。實驗結果表明：PSAFS的最佳制備條件為n（Al+Fe）∶n（Si）=0.53，混凝劑pH=1，熟化時間0.5 h，熟化溫度60 ℃；PSAFS加入量為4 mL/L時，混凝效果最好，對焦化廢水的濁度和COD的去除率分別達到98.9%和74.5%；PSAFS的性能優于市售的3種混凝劑。

混凝；高爐渣；聚硅酸硫酸鋁鐵；焦化廢水

混凝過程是水處理工藝流程中的關鍵環節，其效果決定后續流程的運行工況、出水質量和成本費用，強化混凝過程的關鍵是新型高效能混凝劑的應用。研究發現，在聚硅酸中添加適量的鋁、鐵離子能夠克服聚硅酸穩定性差的缺點，并同時具備電中和作用及吸附架橋作用，增強了混凝效果，加快了反應速率［1-2］。為降低混凝劑成本，采用固體廢物制備新型混凝劑受到廣泛關注。藍偉等［3］用硫酸溶解硫鐵礦燒渣中的鐵，并將其與聚硅酸復合，得到聚合硫酸鐵鋁硅復合混凝劑，對不同濁度的廢水均有較好的處理效果。張瓊等［4］以黃磷爐渣為硅源、加入硫酸鐵制備無機高分子絮凝劑聚硅酸鐵，對污水濁度和COD的去除率分別達到99.6%和85.2%。而利用高爐渣制備混凝劑的研究尚未見報道。以高爐渣替代化工原料生產混凝劑，不僅從原料上節約了生產成本，還實現了對高爐渣的綜合利用。

本工作以高爐渣為原料制備聚硅酸硫酸鋁鐵（PSAFS）混凝劑，考察了聚合條件對焦化廢水混凝效果的影響，并與市售混凝劑進行了對比，為焦化廢水的達標處理提供了參考。

1 實驗部分

1.1 試劑、材料和儀器

濃硫酸、NaOH：分析純。

高爐渣：取自包鋼集團煉鐵廠4號高爐，粒徑小于8 mm，含水率2%～6%，堆密度1 200～1 400 kg/m3，主要成分為SiO236.77%（w，下同），Fe2O30.94%，Al2O38.86%，CaO 37.78%，MgO 8.46%［5］。

焦化廢水：取自某焦化廠初沉池，濁度為220 NTU，COD=887 mg/L，pH=6.8。

752N型紫外-分光光度計：上海儀電分析儀器有限公司；HH-S8型電熱恒溫水浴鍋：上海精密科學有限公司；JJ-1型精密增力攪拌器：金壇市友聯儀器研究所；WGZ-700型濁度儀：上海精密科學有限公司；PHS-3C型pH計：上海精密科學有限公司。

1.2 實驗原理

1）高爐渣酸浸出液中主要含有鐵、鋁兩種金屬離子；而堿浸出液中主要含有硅，經酸化后在酸性溶液中進行硅烷醇化，并發生聚合；將上述兩溶液混合后進行熟化，即在繼續聚合的過程中引入金屬離子，可制得PSAFS。PSAFS可去除污水中的懸浮物，以達到去除色度、濁度和有機物的目的。

2）由于自制混凝劑PSAFS是在聚硅酸中添加鐵、鋁兩種金屬離子后形成的聚硅酸鹽類高分子化合物，因此同時含有聚硅酸、鋁離子和鐵離子3種有效成分。

3）在廢水處理過程中，廢水中的懸浮顆粒在水力攪拌作用下發生顆粒間的碰撞、摩擦，產生一定的擠壓力和摩擦力，自制混凝劑PSAFS在此過程中生成密度大、強度高、沉淀快的混凝物，提高了混凝效果。

1.3 實驗方法

1.3.1 混凝劑的制備

以高爐渣為原料制備PSAFS。將高爐渣用6.0 mol/L的硫酸酸浸60 min，固液分離后得硫酸鋁鐵溶液及濾渣；將濾渣水洗后用5.5 mol/L的NaOH溶液堿浸5 min，固液分離后得含硅溶液；向含硅溶液中緩慢滴加6 mol/L的硫酸，使溶液pH=1，得到聚硅酸溶液。將硫酸鋁鐵溶液和聚硅酸溶液以不同的n（Al+Fe）∶n（Si）混合后，迅速用酸或堿調節pH并置于恒溫水浴鍋中進行熟化，該pH即為熟化后混凝劑的pH。調節熟化溫度及熟化時間，使混凝劑達到穩定狀態。

1.3.2 混凝實驗

在1 000 mL的反應杯中加入800 mL焦化廢水，然后以15 mL/L的加入量加入PSAFS，以300 r/min的轉速快速攪拌1 min后，調節轉速為50 r/min，慢速攪拌8 min；最后，靜置沉降1 h，取上清液測定濁度和COD。以濁度和COD的去除率為混凝劑的性能評價指標。

將自制的PSAFS與市售混凝劑聚合硫酸鐵（PFS）、聚合氯化鋁鐵（PFAC）以及焦化廢水處理中常用混凝劑M180進行對比實驗。3種市售混凝劑按與PSAFS相同的c（Al+Fe）配制為液體混凝劑，改變混凝劑加入量，其余條件同上。

1.4 分析方法

采用濁度儀測定濁度；采用重鉻酸鉀法［6］測定COD；采用pH計測定pH。

2 結果與討論

2.1 n（Al+Fe）∶n（Si）對混凝效果的影響

在混凝劑pH=1、熟化時間為0、室溫（23℃）熟化的條件下，n（Al+Fe）∶n（Si）對混凝效果的影響見圖1。

圖1 n（Al+Fe）∶n（Si）對混凝效果的影響去除率：濁度；COD

由圖1可見：隨n（Al+Fe）∶n（Si）增大，濁度和COD的去除率均增大；當n（Al+Fe）∶n（Si）= 0.53時，濁度和COD的去除率分別達到48.71%和43.23%，混凝效果最好；繼續增大n（Al+Fe）∶n （Si），濁度和COD的去除率均減小。混凝效果是由聚硅酸的吸附架橋作用和金屬鹽的電中和作用共同決定的，在適宜的n（Al+Fe）∶n（Si）時綜合作用最強［7］。當n（Al+Fe）∶n（Si）較小時，絮體松散，有上浮現象，說明Si過多，大量的Si在酸性條件下生成不穩定的活性聚硅酸，影響混凝效果；同時，Al和Fe的含量過少，無法充分發揮Fe3+和Al3+的聚集、網捕作用。但當n（Al+Fe）∶n（Si）過大時，Fe3+和Al3+的濃度過高，易發生水解、絡合而產生沉淀，使混凝劑性能下降；同時，Si是聚合物的主支架，其含量降低導致聚合物鏈縮短［8］，進而導致混凝效果變差。綜上所述，確定混凝劑n （Al+Fe）∶n（Si）=0.53。

2.2 混凝劑pH對混凝效果的影響

在n（Al+Fe）∶n（Si）=0.53、熟化時間為0.5 h、室溫熟化的條件下，混凝劑pH對混凝效果的影響見圖2。由圖2可見，隨混凝劑pH的增大，混凝劑的混凝效果呈先上升后下降的趨勢，當pH=7時混凝效果最好。這是因為，在聚合過程中隨pH的不斷增大，OH-的催化作用使硅酸分子與鋁鹽、鐵鹽絡合反應加速，混凝劑中有效成分增多，提高去除效果；當pH＞7時，OH-數量過多，硅離子與OH-結合為—SiOH，導致混凝效果降低。總體而言，增大混凝劑pH對混凝效果的提升有限，而減小混凝劑pH可有效防止聚硅酸發生凝膠。考慮到混凝劑穩定性及調節pH所需的成本，確定不調節混凝劑pH，即保持混凝劑pH=1。

圖2 混凝劑pH對混凝效果的影響去除率：濁度；COD

2.3 熟化時間對混凝效果的影響

在n（Al+Fe）∶n（Si）=0.53、混凝劑pH=1、室溫條熟化的件下，混凝劑熟化時間對混凝效果的影響見圖3。由圖3可見：熟化時間在0.5～2.0 h時，去除率保持在一個較高的水平，熟化時間為0.5 h時，濁度和COD的去除率分別達到73.52%和54.35%；熟化時間超過2.0 h時，隨熟化時間的不斷延長，去除率呈緩慢下降趨勢。這可能是因為：在聚合過程中，硅酸分子與鋁鹽、鐵鹽不斷發生絡合反應，生成更高分子量的混凝劑，從而提高了混凝效果；但隨熟化時間的進一步延長，聚硅酸變得不穩定，長時間靜置下凝膠增多，影響了混凝劑的性能。從節約處理時間和保證混凝效果兩方面考慮，確定熟化時間為0.5 h。

圖3 熟化時間對混凝效果的影響去除率：濁度；COD

2.4 熟化溫度對混凝效果的影響

在n（Al+Fe）∶n（Si）=0.53、混凝劑pH=1、熟化時間為0.5 h的條件下，參考文獻［9］，將熟化溫度控制在23～90 ℃，熟化溫度對混凝效果的影響見圖4。由圖4可見，曲線呈先上升后緩慢下降的趨勢，溫度為60 ℃時，混凝劑對濁度和COD的去除率最高，分別達到90.75%和68.17%。這是因為：聚硅酸極不穩定，溫度較低時因聚硅酸分子與鋁鹽和鐵鹽反應不充分會導致混凝劑聚合度較低，溫度過高時反應速率過快，會導致聚硅酸在沒有引入鋁鐵離子前很快聚合，影響混凝劑品質；其次，高溫會對鋁鹽和鐵鹽的性質產生影響，導致混凝劑性能降低。因此，確定熟化溫度為60 ℃。

圖4 熟化溫度對混凝效果的影響去除率：濁度；COD

2.5 混凝劑的性能評價

在上述最佳制備條件下制得PSAFS混凝劑。該混凝劑屬陰離子型液體混凝劑，為淺紅色液體，呈微粘稠狀，密度1.74 g/cm3，pH=1，Al3+質量分數11.67%，Fe3+質量分數3.85%。一般認為，降低聚硅酸的pH和存放溫度可有效防止聚硅酸的膠凝。自制混凝劑呈酸性，在低于15 ℃下，混凝劑微觀形態穩定，儲存時間可達3個月以上，能夠滿足商品化的需要。

4種混凝劑的濁度（a）和COD（b）的去除率對比見圖5。由圖5可見：混凝劑加入量對混凝效果有較大影響；PSAFS加入量為4 mL/L時混凝效果最好，濁度和COD的去除率分別達到98.9%和74.5%。混凝劑加入量存在一個最佳值，加入量過少會導致混凝不完全，過量則會將廢水中膠體顆粒表面的活性點包裹，使吸附架橋變得困難，同時還會使膠粒間產生斥力，導致已形成的絮體重新分散為穩定的膠體［10］。

由圖5還可見，自制混凝劑PSAFS的性能優于其他3種市售混凝劑。這是因為，PFS中只含有一種有效成分Fe3+，PFAC中含有Fe3+和Al3+，而PSAFS中同時含有Fe3+，Al3+及聚硅酸。聚硅酸本身具有高效的聚合、網捕有機物質的能力，且含有的大量負電荷能有效中和廢水中的正電荷物質；而在恰當時機引入金屬離子，可充分發揮鋁鹽、鐵鹽的吸附架橋作用。采用PSAFS處理焦化廢水時，礬花粗大密實、產生迅速，出水清澈。

圖5 4種混凝劑的濁度（a）和COD（b）的去除率對比PFAC；PFS；M180；PSAFS

3 結論

a）以高爐渣為原料，用硫酸浸出鐵、鋁，用堿浸出硅并酸化形成聚硅酸，將鐵、鋁引入聚硅酸制得PSAFS混凝劑。

b）PSAFS的最佳制備條件為：n（Al+Fe）∶n （Si）=0.53，混凝劑pH=1，熟化溫度60 ℃，熟化時間0.5 h。

c）PSAFS加入量為4 mL/L時，混凝效果最好，對焦化廢水的濁度和COD的去除率分別達到98.9%和74.5%。

d）PSAFS的性能優于市售混凝劑PFAC，PFS，M180。

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（編輯 魏京華）

Preparation of Polysilic Aluminum Ferric Sulfate Coagulant from Blast Furnace Slag

Su Jie，Chen Lirong，Liu Wen
（School of Energy and Environment，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou Inner Mongolia 014010， China）

Polysilic aluminum ferric sulfate （PSAFS） coagulant was prepared using aluminum ion，iron ion and polysilicic acid，which were obtained from blast furnace slag by acid leaching and alkaline leaching - acidification processes. The effects of the PSAFS polymerization conditions on coagulation of coking wastewater were studied and compared with those of commercial coagulants. The experimental results show that the optimum preparation conditions are as follows：n（Al+Fe）∶n（Si） = 0.53，coagulant pH = 1，aging time 0.5 h，aging temperature 60 ℃. When the dosage of PSAFS is 4 mL/L，the coagulation effect is the best with 98.9% and 74.5% of turbidity and COD removal rate of the wastewater respectively. The performance of PSAFS is better than those of 3 commercial coagulants.

coagulation；blast furnace slag；polysilic aluminum ferric sulfate （PSAFS）；coking wastewater

X756

A

1006 - 1878（2015）01 - 0099 - 04

2014 - 08 - 18；

2014 - 10 - 27。

蘇潔（1990—），女，內蒙古自治區包頭市人，碩士生，電話 15047242104，電郵 731679387@qq.com。聯系人：陳莉榮，電話 18647209636，電郵 chenlirong@imust.edu.cn。

內蒙古自治區高等學校科學研究項目（NJZY13149）。