硫鐵礦燒渣直接制備聚合氯化硫酸鐵鋁的工藝研究

王書寧，呂麗莉，熊露露

(青島理工大學 環境與市政工程學院，山東 青島 266033)

聚合氯化硫酸鐵鋁(Polymeric aluminum ferric chloride sulfate, PAFCS)系日本70年代開發研究的新型無機高分子絮凝劑[1]。由于可顯著降低水中渾濁粘土酸體的電荷和吸附帶負電荷的懸浮膠體微粒，絮凝和沉淀性能均佳，凈水效果明顯優于傳統凈水劑[2]。聚合氯化硫酸鐵鋁的制備方法是以鋁鐵礦為原料[3]，而硫鐵礦渣作為生產硫酸的廢渣，用于制備聚合氯化硫酸鐵鋁具有重要的經濟效益、環境效益和社會效益[4]。筆者以硫鐵礦燒渣為原料，直接制備聚合氯化硫酸鐵鋁絮凝劑，通過產品混凝效果實驗的比對，優化制備工藝，為硫鐵礦燒渣的綜合利用提供了思路[5-7]。

1 實驗部分

1.1 儀器及材料

磁力攪拌器，德國IKA公司；數顯控溫不銹鋼電熱板，江蘇友聯儀器研究所；721分光光度計，上海光學儀器廠；電子天平，瑞士METTLER TOLEDO公司。

表1 硫鐵礦渣的主要成分及質量分數

濃硫酸，工業級，w= 90%，鄒平縣化工有限公司；鹽酸，工業級，w = 30%，青州圣陽有限公司；硫酸鋁鉀(AR) , 阿拉丁試劑有限公司；超細高嶺土(1250目) , 阿拉丁試劑有限公司，其他試劑均為國產分析純。

硫鐵礦燒渣(山東淄博硫酸廠)，其主要成分見表1。

1.2 實驗方法

1.2.1 聚合硫酸鐵鋁的制備

將硫鐵礦燒渣經研缽研磨粉碎，80目過篩，真空烘箱干燥；稱10 g樣品加入到燒杯中，按酸渣質量比加入混酸，浸取一定時間后，過濾，濾液冷卻，攪拌下用氫氧化鈉調節pH值，繼續保溫熟化2 h后，得紅棕色聚合氯化硫酸鐵鋁(PAFCS)液體樣品。工藝流程如下：

稱樣→混酸浸取→過濾→調節pH值→保溫熟化→液體PAFCS

1.2.2 混凝實驗

實驗水樣為自來水和高嶺土配制的模擬廢水，水樣pH值=7左右，濁度350左右。用燒杯取模擬廢水水樣500 mL，攪拌下加入5.0 g絮凝劑，快速攪拌10 min，靜置沉降2 h，取上清液測濁度去除率，比較沉降性能。

濁度去除率：η=(A0-A)/A0

η-濁度去除率；A0-處理前的模擬廢水吸光度值；A-處理后的模擬廢水吸光度值。

2 結果與討論

為獲得最佳的混酸浸取率，并充分利用硫酸，相同條件下，采用適當比例的硫酸(w= 40%)和鹽酸(w= 20%)混酸為浸取液，一方面可避免鹽酸揮發，另一方面避免硫酸過度消耗[7]。為獲得產品最佳的制備工藝，分別考察了浸取過程中酸渣比、浸取溫度、浸取時間對混凝效果的影響。

2.1 浸取酸渣比對混凝效果的影響

浸取混酸與礦渣配比對浸取效果影響較大[9]，配比小，Fe、Al浸出率低，配比大，過多的游離酸會降低產品鹽基度，影響混凝效果。

圖1 浸取酸渣比對混凝效果的影響

按混酸和礦渣質量比進行溶解，浸取溫度80℃，浸取時間2 h，分別考察酸渣比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1和5∶1時制備產品對混凝效果的影響，見圖1。由實驗結果可知，當酸渣比為3∶1時浸取所得產品對高嶺土模擬廢水濁度去除率為92%。說明酸渣比對Fe、Al浸出率和鹽基度的影響會進一步影響絮凝效果。

2.2 浸取溫度對混凝效果的影響

按酸渣比為3∶1進行浸取實驗，浸取時間2 h，分別考察浸取溫度為40、60、80、100和120℃時制備的產品對混凝效果的影響，見圖2。

圖2 浸取溫度對絮凝劑絮凝效果的影響

由圖2可知，在浸取溫度為40 ～ 120℃范圍內，隨著溫度的升高，絮凝劑對高嶺土模擬廢水濁度去除率先升高后略有降低。其中浸取溫度在80℃時去濁率最高為92%。這是因為隨著溫度的升高，提高了Fe、Al浸出的速度，但在100℃后，由于鹽酸揮發加劇，導致產品鹽基度下降，其電中和性能也下降，降低了混凝效果[9]。

2.3 浸取時間對混凝效果的影響

按酸渣比為3∶1進行浸取實驗，浸取溫度80℃，分別考察浸取時間為30、60、90、120和150 min時制備的產品對混凝效果的影響，見圖3。

由圖3可知，隨著浸取時間的增長，制備的絮凝劑對高嶺土模擬廢水濁度去除率逐漸升高。這是因為浸取時間越長， Fe、Al浸出率也越高，在2 h時，濁度去除率達到92%，之后趨于平衡，說明一定溫度下，適當延長時間會提高Fe、Al浸出率，從而進一步提高了混凝效果。

圖3 浸取時間對絮凝劑絮凝效果的影響

2.4 最佳工藝條件制備的聚合氯化硫酸鋁鐵主要性能指標

按酸渣質量比為3∶1，浸取溫度80℃，浸取時間2 h，制得的PAFCS的主要技術性能指標見表2。

表2 聚合氯化硫酸鐵鋁主要技術性能指標

2.5 PAFCS投加量對混凝效果的影響

吸取制備的PAFCS絮凝劑分別稀釋1，2，5，10，20倍，進行混凝實驗，考察投加相同體積不同濃度的PAFCS對混凝效果的影響，并與傳統絮凝劑硫酸鋁鉀進行比較。

圖4 稀釋比例對絮凝效果的影響

由圖4可知，隨著稀釋倍數的增加，PAFCS濃度逐漸減少，濁度去除率也逐漸降低，但絮凝效果還是要優于同濃度的硫酸鋁鉀。實驗結果表明，經硫鐵礦渣直接制備的聚合氯化硫酸鋁鐵絮凝劑具有一定的絮凝效果，從制備工藝，原料等方面較傳統絮凝劑有明顯的優勢。

3 結論

本文以硫酸工業生產所產生的硫鐵礦燒渣為主要原料制備PAFCS絮凝劑，通過混凝實驗探究其最佳的制備工藝條件：酸渣質量比為3∶1，浸取溫度為80℃，浸取時間為2 h。在此條

件下制備的PAFCS處理高嶺土模擬廢水濁度去濁率達到92%，混凝效果優于傳統硫酸鋁鉀絮凝劑。以廢硫酸和廢鹽酸為原料，可進一步降低PAFCS的生成成本，更有利于環境保護。