煤礦礦井廢水中的除氟技術(shù)研究

孟 婷

（包頭市生態(tài)環(huán)境局綜合保障中心土默特右旗中心，內(nèi)蒙古 包頭 014100）

引言

煤礦開采中所排放的礦井水通常具有較強的污染性，若是直接進行排放不僅會導(dǎo)致水資源浪費，還會污染周邊環(huán)境，嚴(yán)重威脅生態(tài)安全[1]。氟作為鹵素族中最輕，也是反應(yīng)性最強的元素，若不對其進行處理，將會導(dǎo)致礦井水排放后周邊區(qū)域地下水化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變[2]。因此，為加強礦井水回收再利用，降低礦井水排放對周邊環(huán)境的污染，必須要對礦井水除氟技術(shù)進行研究分析。

1 試驗方法

1.1 原水采集與分析

為保障研究的有效性，實際試驗中將會直接采用某煤礦礦區(qū)的礦井水，具體取水點為礦區(qū)污水處理廠進水口區(qū)域，原水將采用聚乙烯桶進行存放。將取樣后的原水進行沉淀處理后確認(rèn)，自由沉淀方法對原水中懸浮物去除效果較差，需要采用后續(xù)處理方法對其進行有效處理。

1.2 混凝-吸附試驗方法

混凝-吸附試驗方法是先采用混凝沉淀法，通過在礦井水中加入混凝劑，初步去除礦井水中的懸浮物后，再通過吸附法對處理后的礦井水進行氟離子處理[3]。在混凝處理階段，混凝劑、助凝劑分別選用PFC、殼聚糖，pH 值以及絮凝時間分別控制在7 和7 min，整個混凝過程不僅可以除去礦井水中的懸浮物，還能夠一定程度降低礦井水氟離子濃度，提高試驗效果。

吸附試驗階段，分別選用活性氧化鋁、沸石、無煙煤、骨炭、羥基磷灰石作為吸附劑，其中活性氧化鋁不僅可以發(fā)揮吸附作用，還能夠同礦井水中的氟離子發(fā)生交換作用；骨炭和羥基磷灰石作為含磷物質(zhì)，其中磷酸鈣會與礦井水中的氟離子相結(jié)合，由此來實現(xiàn)礦井水中氟離子去除效果。同時兩類物質(zhì)與原煤粉性質(zhì)較為相似，有利于實現(xiàn)后續(xù)原煤粉改性處理，實現(xiàn)礦井水處理的就地取材，降低礦井水處理成本[4]。

2 混凝-吸附試驗動力學(xué)試驗

在通過混凝沉淀法對礦井水原水進行處理以后，通過正交試驗法對研究中所提出的各類吸附劑進行正交試驗設(shè)計，進而根據(jù)正交試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)最佳吸附劑為羥基磷灰石、pH 值為4、吸附試驗溫度為25 ℃、吸附時間為90 min。為進一步驗證此結(jié)果的有效性，研究中將會豐富對各類吸附劑的礦井水除氟效果進行動力學(xué)試驗分析，進而獲取到圖1 和下頁圖2 中的動力學(xué)試驗結(jié)果。

在動力學(xué)模擬試驗結(jié)果中，模擬結(jié)果值越近似于1，說明動力學(xué)模擬效果越好[5]。由圖1 和圖2 可知，羥基磷灰石對礦井水中氟離子的吸附更符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型，而骨炭和活性氧化鋁對礦井水中氟離子的吸附則更符合顆粒內(nèi)擴散模型。

圖1 準(zhǔn)一級、二級動力學(xué)模擬試驗結(jié)果

圖2 顆粒內(nèi)擴散模型模擬結(jié)果

3 改性原煤粉處理含氟礦井水

通過以上研究可知，原煤粉的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)可一定程度上發(fā)揮礦井水中氟離子去除效果，但由于原煤粉的礦井水吸附效果較差，所以在研究過程中將會采用氧化鎂對原煤粉進行改性處理。

3.1 投加量對氟離子吸附效果的影響

取6 個200 mL 混凝沉淀處理后的礦井水樣品，將改性原煤粉的添加量分別控制在0.5、1、1.5、2、2.5、3 g，其他參數(shù)沿用上文中最佳參數(shù)，在振蕩反應(yīng)完成后，通過0.45 μm 微孔濾膜抽濾上清液，測量上清液中氟離子濃度結(jié)果如圖3 所示。

圖3 投加量對氟離子吸附效果的影響

由圖3 可知，對于R1材料，隨著改性原煤粉投加量的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量也在持續(xù)增加，其中當(dāng)改性原煤粉投加量達到3 g時，吸附劑的吸附容量達到最大值，為0.100 mg/g，對應(yīng)的氟離子去除率為47.47%；對于R2材料，隨著改性原煤粉投加量的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量呈現(xiàn)出先升后降的情況，其中當(dāng)改性原煤粉投加量達到2 g 時，吸附劑的吸附容量達到最大值，為0.155 mg/g，對應(yīng)的氟離子去除率為77.85%。相對來說，R2投加量中改性原煤粉投加量為2 g 時的吸附效果最為良好。

3.2 pH 對氟離子吸附效果的影響

除pH 值分別設(shè)置為4～10，吸附劑量設(shè)置為1.5 g以外，其他參數(shù)保持不變，以下將直接說明分析結(jié)果。

對于R1材料，隨著pH 值的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量在持續(xù)下降；對于R2材料，隨著pH 值的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量在持續(xù)下降，具體趨勢與R1保持一致。總體來說，弱酸性（pH 值為5 時）環(huán)境更適于實現(xiàn)吸附反應(yīng)，并且R2材料的吸附能力強于R1材料。

3.3 溫度對氟離子吸附效果的影響

pH 值設(shè)置為5，吸附劑量設(shè)置為1.5 g，溫度則設(shè)置為15、20、25、30、35 ℃，其他參數(shù)保持不變。

對于R1材料，隨著溫度的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量在持續(xù)提升，其中溫度15 ℃時吸附容量為0.164 mg/g，對應(yīng)氟離子去除率為58.85%；對于R2材料，隨著溫度的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量在持續(xù)提升，其中35 ℃時吸附容量為0.164 mg/g，對應(yīng)氟離子去除率為89.00%，具體趨勢與R1保持一致。總體來說，R2材料在35 ℃環(huán)境下的吸附效果最為良好。

3.4 吸附時間對氟離子吸附效果的影響

pH 值設(shè)置為5，吸附劑量設(shè)置為1.5 g，溫度設(shè)置設(shè)置為35 ℃，吸附時間分別設(shè)置為15、30、45、60、75、90 min。

對于R1材料，隨著吸附時間的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量呈現(xiàn)出先下降后上升態(tài)勢，其中吸附時間為75 min 時吸附容量為0.41 mg/g；對于R2材料，隨著溫度的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量在持續(xù)提升，其中90 min 時吸附容量0.237 mg/g，對應(yīng)氟離子去除率為80.54%。總體來說，R2材料在90 min 的反應(yīng)時間條件下的吸附效果最為良好。

3.5 改性原煤粉吸附動力學(xué)分析

如圖4 可知，改性原煤粉R1材料對礦井水中氟離子吸附更符合準(zhǔn)二級動力學(xué)吸附模型，改性原煤粉R2材料對礦井水中氟離子吸附同樣符合二級動力學(xué)模型，并且結(jié)合上文結(jié)果可知，改性原煤粉R2材料更適用于礦井水中氟離子吸附處理。

圖4 顆粒內(nèi)擴散模型模擬結(jié)果

4 改性原煤粉在礦井水中除氟應(yīng)用

在獲取最佳煤礦礦井水改性原煤粉除氟方法以后，為驗證此方法的有效性，還需要將方法應(yīng)用于工程實踐。具體來說就是根據(jù)方法制備大規(guī)模礦井水除氟改性原煤粉材料，然后將材料應(yīng)用于礦井水除氟處理過程中。通過長達六個月的應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，由于改性原煤粉材料的主體材料為煤礦生產(chǎn)中所產(chǎn)生的原煤粉，所以可有效降低礦井水除氟處理成本，并且改性處理后的原煤粉具有較強的除氟效果，符合礦井水處理現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，所以值得進行普及應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文提出一種改性原煤粉礦井水除氟方法，此方法在經(jīng)過仿真分析和工程應(yīng)用后確認(rèn)其有效性，證明此種方法具有較強的煤礦礦井水除氟效果，可在后續(xù)礦井水除氟設(shè)計中進行參考應(yīng)用。