煤矸石酸浸液制备聚硫酸铝铁的试验研究

王 茜，孔德顺

（六盘水师范学院 化学与化学工程系，贵州 六盘水 553004）

在煤矿建设和煤炭生产过程中排出大量煤矸石，仅贵州六盘水矿区每年产出煤矸石达1 000万t［1－2］。六盘水矿区的煤矸石具有高铁低铝的特点，处理后可用于制备无机高分子絮凝剂聚硫酸铝铁（PAFS）。聚硫酸铝铁是一种复合絮凝剂，兼具铁盐沉降快、铝盐净水效果好的优点，并且克服了铁盐残余色度大、过量铝盐使用后残留于水中危害性大的不足［3－4］。用煤矸石制备PAFS可实现煤矸石的资源化利用，同时也降低生产PAFS的原料成本，具有很好的环境效益和经济效益。

试验研究了用六盘水矿区的煤矸石制备PAFS，并考察了不同条件下制备的PAFS处理高岭土模拟废水的效果。

1 试验部分

1．1 试验原料

六盘水矿区煤矸石经粉碎、850℃下煅烧3h后，其化学成分见表1。煤矸石中铝铁质量分数分别为20．91%、14．31%。对煤矸石煅烧粉以硫酸浸出，铁浸出率达98．6%，铝浸出率达80%以上，铝和铁的总浸出率达86．93%［5］，浸出液满足制备PAFS的要求。

表1 六盘水矿区煤矸石化学成分 %

1．2 试剂及仪器设备

试验所用试剂有硫酸、硫酸铝、硫酸铁、碳酸钠、氢氧化钠，均为分析纯；以及高岭土，蒸馏水，市政自来水。

试验所用设备有ARL9900XP＋型X射线荧光光谱仪，TD－2500型X射线多晶衍射仪，分析天平，HH－S2型数显恒温水浴锅，JJ－1A型数显电动搅拌器，pHS－25型酸度计，WGZ－1A型浊度计。

1．3 PAFS的制备

向煤矸石煅烧粉中加入一定浓度的硫酸溶液，搅拌浸出一定时间后过滤，滤液用硫酸铝和硫酸铁调整铁铝物质的量比，用1．0mol／L Na2CO3溶液调pH，然后在一定温度水浴中聚合反应一段时间。聚合反应结束后，室温下熟化一段时间，即得到产品PAFS。

1．4 高岭土模拟废水的配制与浊度测试

取3g高岭土和800mL自来水，在烧杯中搅拌均匀，用浊度计测定其初始浊度。

向烧杯中加入0．5mL质量浓度为10g／L的PAFS溶液，用1．0mol／L NaOH溶液调节体系pH为7．0，然后以300r／min的搅拌速度搅拌1min，再以150r／min的搅拌速度搅拌2min，最后以50r／min的搅拌速度搅拌5min，之后静置沉降一定时间后测定上清液浊度。

2 试验结果与讨论

2．1 体系pH对制备PAFS的影响

调节体系n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5，控制水浴温度为80℃，聚合时间为6h，之后室温下熟化24h。

聚合反应过程中，当体系pH高于0．8时生成黄色沉淀物，其XRD图如图1所示。可以看出，黄色沉淀物中含有一定量铁和铝，PAFS纯度较低；而pH较低时，氢离子浓度过高，硫酸铁和硫酸铝的水解反应受到抑制，聚合反应速率较低，不利于PASF的形成。反应式如下：

从避免产生沉淀角度考虑，确定体系pH以0．8为宜。

图1 黄色沉淀物的XRD图

2．2 PAFS铁铝物质的量比对废水去浊率的影响

在pH＝0．8、聚合温度为80℃、聚合时间为6h、室温下熟化24h条件下，在不同的铁铝物质的量比n（Fe2O3）／n（Al2O3）条件下制备PAFS，并用所制备的PAFS处理高岭土废水（静置沉降30min），试验结果如图2所示。

图2 铁铝物质的量比对PAFS去浊率的影响

由图 2 看出：随 PAFS 中n（Fe2O3）／n（Al2O3）增大，废水浊度去除率增大；铁铝物质的量比为0．5时，废水浊度去除率达97．1%；继续提高铁铝物质的量比，废水浊度去除率反而减小。这是因为随铁用量增加，PAFS聚合度提高；而铁用量过高会减弱PAFS的电中和能力，从而降低絮凝效果［6］；铝含量过高，形成的絮体明显变得松散易碎，以致沉降速率下降，去浊率降低。综合考虑，铁铝物质的量比以0．5为宜。

2．3 PAFS聚合温度对废水去浊率的影响

在pH＝0．8、n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5、聚合时间为6h、室温下熟化24h条件下，在不同温度下制备PAFS，并以所制备的PAFS处理高岭土废水（静置沉降时间为30min），试验结果如图3所示。

图3 PAFS聚合反应温度对废水去浊率的影响

由图3看出：随PAFS聚合温度升高，废水浊度去除率增大；当聚合温度为80℃时，所制备的PAFS对废水的去浊率达97．3%；继续提高聚合温度，废水去浊率反而略有下降。提高聚合反应温度有利于硫酸铝和硫酸铁聚合反应的进行，也有利于PAFS聚合度提高，进而对废水处理效果更好。但聚合温度不宜过高，因为温度过高时会促进聚合反应过程中产生沉淀，从而降低PAFS对废水的处理效果。综合考虑，确定PAFS聚合反应温度以80℃为宜。

2．4 PAFS聚合时间对废水去浊率的影响

在pH＝0．8、n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5、聚合温度为80℃、室温下熟化24h条件下，聚合反应不同时间，以所制备的PAFS处理高岭土废水（静置沉降30min）。不同聚合时间条件下制备的PAFS对高岭土废水的处理效果如图4所示。

图4 PAFS聚合时间对废水去浊率的影响

由图4看出：聚合反应6h得到的PAFS对高岭土废水的去浊率为97．7%；随聚合反应时间延长，废水浊度去除率逐渐降低，说明制备PAFS时聚合反应时间不宜过长，因为聚合时间过长，在水热温度较高条件下，生成的PAFS会有部分发生解聚反应，使得PAFS的聚合度降低，进而影响到与高岭土形成的絮状物变得细小，沉降速率减缓，从而使去浊率降低。综合考虑，确定制备PAFS的聚合反应时间以6h为宜。

2．5 PAFS熟化时间对废水去浊率的影响

熟化时间是指PAFS产品制得后的陈放时间。熟化过程中，PAFS内部结构发生变化，发展为更加稳定的状态。对在pH＝0．8、n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5、聚合反应温度为80℃、聚合反应时间为6h条件下制备的PAFS熟化不同时间，并分别用于处理高岭土废水（静置沉降30 min）。熟化不同的PAFS对高岭土废水的处理效果如图5所示。可以看出：随熟化时间延长，PAFS对高岭土废水浊度去除率逐渐增大；熟化24h时，PAFS对废水浊度去除率达97%；继续延长熟化时间，废水去浊率变化趋势渐缓。这说明熟化时间对PAFS聚合度有明显影响；但熟化24h后，聚硫酸铝铁的结构已较稳定，且具有较高的去浊效果：所以，从去浊效果及制备周期角度考虑，熟化时间确定为24h。

图5 熟化时间对PAFS去浊率的影响

2．6 沉降时间对废水浊度去除率的影响

用在pH＝0．8、n（Fe2O3）／n（Al2O3）＝0．5、聚合温度80℃、聚合时间6h、室温下熟化24h条件下制备的PAFS处理高岭土废水，考察沉降时间对废水浊度去除率的影响，试验结果如图6所示。

图6 沉降时间对废水浊度去除率的影响

由图6看出：随沉降时间延长，废水浊度去除率逐渐增大；当沉降30min时，浊度去除率达97．7%；沉降60min时，浊度去除率为98．9%；再继续延长沉降时间，废水浊度去除率变化不大。这说明延长沉降时间有利于PAFS与废水中的细小颗粒絮凝，但超过一定时间后，PAFS聚合度已趋于稳定，不再受沉降时间的影响。因为在絮凝沉降过程中，PAFS与水中分散的颗粒物首先形成细小松散的絮状物，足够的沉降时间可以使此絮状物能够充分聚集生长为粗大结实的絮状物，从而可提高去浊效果。综合考虑，沉降时间为30min即可。

3 结论

六盘水地区的煤矸石通过煅烧、酸浸、配料、聚合、熟化工艺可以制备聚硫酸铝铁（PAFS），所制备的PAFS用于处理高岭土模拟废水，具有良好的去浊效果。本研究对于煤矸石的高附加值开发利用提供了一条新思路。

［1］孔德顺，李志，李琳，等．六盘水矿区煤矸石理化性质及资源化利用分析［J］．煤炭工程，2013（7）：99－101．

［2］胡江良，杨亚玲，连明磊，等．用钢渣煤矸石基聚合氯化铝铁絮凝剂处理洗煤废水试验研究［J］．湿法冶金，2013，32（2）：113－116．

［3］郑怀礼，陈文源，张智，等．无机高分子复合混凝剂聚合硫酸铝铁的制备与应用［J］．重庆大学学报，2013，36（7）：114－120．

［4］刘峙嵘，方裕勋，艾卫青，等．聚合硫酸铝铁的制备及其活性成分分析［J］．湿法冶金，2002，21（4）：191－194．

［5］孔德顺，吴红．煤矸石除杂及碱融活化制取硅酸钠的实验研究［J］．无机盐工业，2013，45（8）：42－44．

［6］王炳建，高宝玉，岳钦艳，等．新型无机高分子复合絮凝剂聚合硅酸铝铁絮凝效果研究［J］．山东大学学报：理学版，2003（12）：111－115．