秸稈灰渣聚硅酸氯化鋁鐵的制備及應(yīng)用

馮云生，尹 玲，袁江濤，佟 白

（齊齊哈爾大學(xué)輕工與紡織學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006）

印染廢水具有量大、有機污染物含量高、成分復(fù)雜、色度深、水質(zhì)變化大等特點，特別是印染物功能化的出現(xiàn)，使印染廢水毒性增大、可生化性降低、處理難度增大。采用無機高分子絮凝劑處理印染廢水是一種效果比較好的方法。

聚硅酸金屬鹽無機高分子絮凝劑是一類高效水處理劑，是在聚硅酸及傳統(tǒng)鋁鹽、鐵鹽等絮凝劑的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的復(fù)合絮凝劑，同時具有電中和及吸附架橋作用，絮凝效果好，成本低，己成為國內(nèi)外無機高分子絮凝劑研究的熱點。目前，無機高分子絮凝劑以純的化工產(chǎn)品為原料，成本較高，因此，研究者們在尋找有效利用廢棄資源制備無機高分子絮凝劑的途徑。生物質(zhì)發(fā)電廠焚燒秸稈后產(chǎn)生大量的秸稈灰渣，這種灰渣沒有得到有效的利用，反而形成了新的污染。盡管對其有許多應(yīng)用研究[1-3]，但尚未形成一條有效的應(yīng)用途徑。

本研究對秸稈灰渣進行了化學(xué)組成分析，結(jié)果表明，經(jīng)燒結(jié)后的灰渣含有大量的金屬氧化物。以國能龍江某生物質(zhì)發(fā)電廠的秸稈灰渣為例，主要金屬氧化物組成如表1所示。

表1 秸稈灰渣中主要金屬氧化物及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由表1可知，秸稈灰渣中Al、Fe、Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高，可以通過特定的工藝將其溶出，制備無機高分子絮凝劑[3-7]用于染整等行業(yè)的污水處理，可實現(xiàn)廢物資源化，并為無機高分子絮凝劑提供新的資源。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：秸稈灰渣（國能龍江某生物質(zhì)發(fā)電廠），NaOH（分析純，廣州市金華大化學(xué)試劑有限公司），HCl（31%，辛集市嘉澤化工有限公司），聚合氯化鋁（PAC，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于29%，鞏義市龍?zhí)﹥羲盍蠌S），聚合氯化鋁鐵（PAFC，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于29%，F(xiàn)e2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%～3%，鞏義市濾料工業(yè)有限公司），助溶劑（NaOH、Na2O、B2O3混合物）。

儀器：SX2-2.5馬弗爐（鄭州振平鑫龍機械制造有限公司），721G型紫外分光光度計（上海精密科學(xué)儀器有限公司），JJ-1精密電動攪拌器（上海逸龍科技有限公司），SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵（鄭州長城儀器有限公司），HH-8恒溫水浴鍋（常州市億能實驗儀器廠）。

1.2 絮凝劑的制備

將秸稈灰渣與助溶劑混合，放入馬弗爐中高溫焙燒，用HCl浸泡、過濾得濾液Ⅰ。濾渣用NaOH浸泡、調(diào)pH、過濾得濾液Ⅱ。將濾液Ⅰ與Ⅱ混合、沉化，即得無機高分子聚硅酸氯化鋁鐵絮凝劑（PSAFC）。

氯化鋁、氯化鐵水解生成氫氧化鋁、氫氧化鐵，再縮合形成聚合氯化鋁鐵，反應(yīng)式如下：

聚硅酸反應(yīng)式如下：

（其中Na2SiO3以Na2O·3SiO2·xH2O水合物形式存在）

聚硅酸的羥基與聚合氯化鋁鐵的羥基縮合形成聚硅酸氯化鋁鐵。

1.3 印染廢水絮凝實驗

廢水：用酸性紅GR、活性紫KN-4R、分散紅GS、還原藍RSN分別配制成0.25 g/L的模擬印染廢水；另取城市排污廢水。

取200 mL廢水置于250 mL燒杯中，加入一定量的絮凝劑（以Al2O3有效成分計），調(diào)節(jié)pH，快速（500 r/min）攪拌2 min，慢速（100 r/min）攪拌3 min，靜置30 min，取上清液進行水質(zhì)分析。

1.4 測試

脫色率：采用紫外分光光度計測定最大吸收波長處的吸光度，再根據(jù)下式計算脫色率：

式中，A0為處理前廢水的吸光度；A1為處理后廢水的吸光度。

COD去除率：取20 mL水樣，加入10 mL重鉻酸鉀，插上回流裝置，再加入30 mL硫酸銀，加熱回流2 h冷卻；用90 mL水沖洗冷凝管壁，取下錐形瓶；溶液再度冷卻后，加入3滴試亞鐵靈指示液，用硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液由黃色經(jīng)藍綠色至紅褐色即為終點，記錄硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量。取20 mL重蒸餾水，按同樣的操作步驟做空白實驗。按下式計算COD去除率：

式中，c為硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；V0為空白實驗所消耗的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；V1為試樣測定消耗的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；V為試樣體積，mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 PSAFC絮凝效果的影響因素

2.1.1 pH

由圖1可知，當(dāng)pH小于4時，PSAFC的絮凝能力隨pH的增大而增強；當(dāng)pH大于10時，PSAFC的絮凝能力隨pH的增大而降低；在pH=4～10時，PSAFC的絮凝效果變化較小，即PSAFC在此pH區(qū)間內(nèi)絮凝效果穩(wěn)定。由圖1還可知，PAC、PAFC的絮凝效果在pH=6～10區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定。由此可見，PSAFC具有較寬的pH適應(yīng)范圍。

圖1 pH對活性紫KN-4R脫色率的影響

2.1.2 PSAFC用量

由圖2可看出，在PSAFC用量較小時，PSAFC的絮凝效果隨用量的增大而明顯增強，特別是在10～40 mg/L區(qū)間內(nèi)絮凝能力增強明顯；當(dāng)用量達到60 mg/L后，絮凝能力趨于穩(wěn)定。因此確定PSAFC的用量為80～100 mg/L。

圖2 PSAFC用量對活性紫KN-4R脫色率的影響

2.1.3 染料類型

由圖3可知，PSAFC絮凝劑對酸性紅GR、活性紫KN-4R、分散紅GS、還原藍RSN模擬印染廢水均具有良好的絮凝能力，絮凝效果差別不大；當(dāng)絮凝劑用量達到100 mg/L時，脫色率均在90%以上。PSAFC對染料廢水具有良好的脫色能力。

圖3 PSAFC對不同染料的絮凝效果

2.2 PSAFC對城市污水的處理效果

由圖4可知，PSAFC對城市污水具有良好的凈化能力，隨PSAFC用量的增加，對城市污水的絮凝效果和COD去除率均增加；當(dāng)用量達到100 mg/L時，COD去除率達92%以上；當(dāng)用量大于100 mg/L時，PSAFC的絮凝能力和COD去除率增速減緩。故PSAFC用量以100 mg/L為好。

圖4 PSAFC對城市污水的絮凝效果

2.3 絮凝效果比較

PSAFC與PAFC、PAC對活性紫KN-4R的脫色率比較見圖5。

圖5 PSAFC與PAFC、PAC對活性紫KN-4R的脫色率比較

由圖5可知，隨絮凝劑用量的增大，初期PSAFC的絮凝能力增加明顯，特別是在10～40 mg/L增加明顯；當(dāng)用量達到60 mg/L后，絮凝能力趨于平穩(wěn)；在同樣的脫色率情況下，PAFC和PAC的用量要達到80 mg/L后絮凝效果才趨于平穩(wěn)。由此可見，PSAFC對染料廢水的凈化能力不低于市售PAFC和PAC。

3 結(jié)論

（1）生物質(zhì)發(fā)電廠的秸稈灰渣含有大量的Al、Fe、Si等元素，這些元素經(jīng)過兩步法可以制備聚硅酸氯化鋁鐵（PSAFC）無機高分子絮凝劑。

（2）PSAFC對模擬染料廢水具有良好的凈化效果，達到或接近市售聚合氯化鋁、聚合氯化鋁鐵的凈化效果。當(dāng)pH為4～10、用量為100 mg/L時，PSAFC對酸性紅GR、活性紫KN-4R、分散紅GS、還原藍RSN染料廢水的脫色率均達到90%以上；對城市污水的脫色率和COD去除率亦達到92%以上。