用聚硅酸硫酸鋁鐵處理洗煤廢水試驗研究

楊依民，孔德順，周鵬宇，蔣治衛，施 蘭，孫 尋

(六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004)

煤炭加工過程中產生的洗煤廢水必須經過處理達標后才可排放或循環利用。洗煤廢水常用聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)等進行絮凝處理。聚硅酸硫酸鋁鐵(PAFSS)是一種新型高分子絮凝劑，是聚硅酸與金屬鹽復合產物[1-2]，具有電中和作用強、礬花大、易沉降、污泥體積小、處理效率高等優點；并且與PAM復合使用時具有更佳處理效果，可很大程度上減少絮凝劑用量[3-4]。試驗研究了用硫酸鐵、硫酸鋁及硅酸鈉為原料制備PAFSS，并考察所制備的PAFSS處理洗煤廢水的效果。

1 試驗部分

1.1 試驗試劑及儀器

試劑：Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、Na4SiO4、H2SO4、NaOH，均為分析純；洗煤廢水(模擬配制)。

儀器：pHS-25型pH計，WGZ-1A型濁度計，MP3002型電子天平，M1-211A型家用美的微波爐，TD-2500型X射線多晶衍射儀(XRD)等。

1.2 PAFSS的制備及PAM配制

稱取一定質量硅酸鈉，在錐形瓶中加水攪拌至完全溶解，調pH至1.5，活化15 min，再加入相應量硫酸鋁和硫酸鐵溶液，充分混合后放入微波爐中加熱反應。其他條件：二氧化硅質量分數1%，微波爐功率700 W，n(Fe3+)/n(Al3+)=1/1，n(Fe3+)/n(SiO2)=10/1，微波加熱時間3 min。微波加熱結束后，在室溫下熟化24 h，制得PAFSS。

取999 mL蒸餾水，邊加熱邊攪拌，然后緩慢加入PAM 1.000 0 g，使其完全溶解，獲得PAM溶液。

1.3 模擬洗煤廢水的處理

取1 000 mL大燒杯，量取800 mL模擬洗煤廢水，調洗煤廢水pH至一定值，然后加入一定量PAFSS，劇烈攪拌之后加入一定量PAM，然后放在攪拌器上先快速攪拌(1 000 r/min)再慢速攪拌(60 r/min)，最后靜置15 min。取上清液測定其濁度，并計算去濁率。計算公式為

2 試驗結果與討論

2.1 PAFSS的XRD分析

將制備的PAFSS在高溫、真空條件下烘干至呈淺黃色松軟粉體，裝片后進行XRD物相分析[5]，結果如圖1所示。

圖1 PAFSS的XRD分析圖譜

由圖1看出：所制備PAFSS的XRD分析圖譜中無明顯特征衍射峰，即不存在硫酸鋁、硫酸鐵和硅酸鈉，說明產物聚合良好；聚合后的產品主要呈無定形態。

2.2 PAFSS處理洗煤廢水

2.2.1 洗煤廢水pH對去濁率的影響

取5個1 000 mL大燒杯，各加入800 mL模擬洗煤廢水，分別調pH至5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，然后加入2 mL PAFSS，劇烈攪拌之后加入2 mL PAM，然后放在攪拌器上先快速攪拌3.0 min，再慢速攪拌2.0 min，最后靜置15.0 min。廢水pH對洗煤廢水去濁率的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 廢水pH對洗煤廢水去濁率的影響

由圖2看出：pH介于5.0～6.0范圍內，隨pH增大，洗煤廢水去濁率迅速提高，并在pH=6.0時達最大，為98.38%；而pH大于6.0后，廢水去濁率隨pH增大而緩慢下降。PAFSS是通過水解時產生的帶正電的鹽基團與洗煤廢水中的帶負電的膠體和懸浮顆粒發生電中和、吸附架橋等作用，并在羥基作用下形成宏觀絮凝團從而凈化洗煤廢水[6]。試驗中，pH較低時，H+濃度較高，抑制了PAFSS中離子的水解，產生的鹽基團不足以將洗煤廢水中的雜質完全沉降，降低了凈化效果，故當pH增大時去濁率提高；而當pH大于6.0以后，再繼續增大pH，廢水中過多的羥基會與水解的鹽相結合發生沉降，從而使水解產生的基團不足以凈化廢水中的雜質。綜合考慮，確定廢水pH=6.0為宜。

2.2.2 PAFSS用量對去濁率的影響

取5個1 000 mL大燒杯，各加入800 mL模擬洗煤廢水，調pH=6.0，然后分別加入不同量PAFSS，劇烈攪拌之后再加入2 mL PAM，然后在攪拌器上先快速攪拌3.0 min，再慢速攪拌2.0 min， 最后靜置15.0 min。PAFSS用量對洗煤廢水去濁率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 PAFSS用量對洗煤廢水去濁率的影響

由圖3看出：隨PAFSS用量增加，洗煤廢水去濁率迅速下降；PAFSS用量為2 mL時，水解產生的金屬鹽基團基本上可以與廢水中的膠體和懸浮物完全中和；PAFSS用量不到2 mL時，水解的金屬鹽基團不足以沉降廢水中的雜質，而當PAFSS用量大于2 mL時，多余的帶正電金屬鹽基團會干擾電荷平衡，破壞已形成的絮凝團，使已經絮凝的雜質重新懸浮，降低PAFSS去濁率。綜合考慮，確定PAFSS最佳用量為2 mL。

2.2.3 PAM用量對去濁率的影響

取5個1 000 mL大燒杯，各加入800 mL模擬洗煤廢水，調pH=6.0，加入PAFSS 2 mL，劇烈攪拌之后分別加入1～5 mL PAM，然后放在攪拌器上先快速攪拌3.0 min再慢速攪拌2.0 min，最后靜置15.0 min。PAM用量對洗煤廢水去濁率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 PAM用量對洗煤廢水去濁率的影響

由圖4看出：PAM用量在1～3 mL之間時，洗煤廢水去濁率隨PAM用量增加而提高；當PAM用量為3 mL時達最大，為98.00%；繼續增加PAM用量，廢水去濁率則迅速降低。PAM的作用是在PAFSS形成絮凝團后更進一步增大絮凝團體積而促進絮凝團沉降；但當PAM超過一定量時，反而會破壞絮凝團的穩定性，降低去濁率。綜合考慮，確定PAM適宜用量為3 mL。

2.2.4 快速攪拌時間對去濁率的影響

取5個1 000 mL大燒杯，各取800 mL模擬洗煤廢水，調洗煤廢水pH=6.0，加入PAFSS 2 mL，劇烈攪拌之后再加入3 mL PAM，然后放在攪拌器上分別快速攪拌再慢速攪拌2.0 min，最后靜置15.0 min。快速攪拌時間對洗煤廢水去濁率的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 快速攪拌時間對洗煤廢水去濁率的影響

由圖5看出：隨快速攪拌時間延長，洗煤廢水去濁率迅速提高，攪拌3.0 min時達最高，為98.38%；快速攪拌時間再繼續延長，廢水去濁率快速降低。快速攪拌的作用是將PAFSS均勻分散到廢水中，使水解出的鹽基團與廢水中的膠體和顆粒懸浮物接觸充分；快速攪拌時間較短時，接觸不充分，不能完全中和，故去濁率較低；當快速攪拌時間過長，均勻分布體系又不斷被打亂，也不能充分接觸并完全中和，也會對去濁不利。綜合考慮，確定適宜的快速攪拌時間為3.0 min。

2.2.5 慢速攪拌時間對去濁率的影響

取5個1 000 mL大燒杯，各加入800 mL模擬洗煤廢水，調pH=6，加入PAFSS 2 mL，劇烈攪拌之后加入3 mL PAM，快速攪拌3.0 min后慢速攪拌1.0～5.0 min，最后靜置15.0 min。慢速攪拌時間對洗煤廢水去濁率的影響試驗結果如圖6所示。

圖6 慢速攪拌時間對洗煤廢水去濁率的影響

由圖6看出：隨慢速攪拌時間延長，洗煤廢水去濁率迅速提高，并在2.0 min時達最大，為98.38%；慢速攪拌時間再延長，廢水去濁率又快速降低。慢速攪拌時間為2.0 min時，金屬鹽基團對廢水中雜質的作用較為徹底并且對礬花的破壞最小，可以使絮凝團增大易于沉降；但慢速攪拌時間超過2.0 min后，不僅礬花被破壞，絮凝平衡也被破壞，已形成的絮凝團被打破不利于沉降，故去濁率降低。綜合考慮，確定慢速攪拌時間以2.0 min為宜。

3 結語

用自制的聚合硫酸鐵鋁絮凝劑處理洗煤廢水是可行的，適宜條件下(廢水體積800 mL，廢水pH=6，PAFSS用量2 mL，PAM用量3 mL，快速攪拌時間3.0 min，慢速攪拌時間2.0 min)，廢水去濁率可達98.38%，去濁效果較好。