含铝废渣制备聚硅酸铝铁絮凝剂处理造纸废水

刘晓红，荀开昺，杨方麒，邱舜国（南昌大学资源环境与化工学院，江西南昌330031）

含铝废渣制备聚硅酸铝铁絮凝剂处理造纸废水

刘晓红，荀开昺，杨方麒，邱舜国
（南昌大学资源环境与化工学院，江西南昌330031）

以铝合金废渣为原料制备了聚硅酸铝铁（PAFSC）絮凝剂。通过单因素实验优选出盐酸浸取铝合金废渣最佳条件：反应时间为20 min，反应温度为80℃，盐酸浓度为6 mol/L，盐酸与铝物质的量比为3∶1。在此条件下铝的浸取率＞95%。用浸取铝合金废渣得到的氯化铝溶液制备聚硅酸铝铁絮凝剂，并用于处理造纸废水。当聚硅酸铝铁絮凝剂投加量为400 mg/L时，其对造纸制浆废水COD、色度的去除率分别达到68%、92%。聚硅酸铝铁絮凝剂处理造纸制浆废水的效果优于聚合氯化铝（PAC）絮凝剂。

铝合金废渣；浸取；聚硅酸铝铁絮凝剂；处理；造纸废水

聚硅酸铝铁絮凝剂具有吸附电中和作用和架桥网捕作用，克服了单独Al3+或Fe3+为主体絮凝剂缺点，增效了彼此优点［1］。制备聚硅酸铝铁絮凝剂多以无机矿物质或工业废料为原料，通过酸浸出其中的铝和铁制备聚硅酸铝铁絮凝剂。陈国斌等［2］将红黄壤焙烧活化，用盐酸浸取其中的铁和铝，加入硅酸钠合成了聚硅酸氯化铝铁。景红霞等［3］以粉煤灰、废钢渣和铝屑为原料，制备了聚硅酸铝铁絮凝剂。高秀美等［4］采用钢厂盐酸酸洗废液、铁屑和含铝矿石为原料，制备了聚硅酸氯化铝铁。俞尚清等［5］以粉煤灰和硫铁矿烧渣为原料制备了聚硅酸氯化铝铁絮凝剂。张巍巍等［6］将粉煤灰混合纯碱焙烧后滴加盐酸，浸取Fe3+和Al3+，制备了聚硅酸氯化铝铁絮凝剂。马同森等［7］以合成后未熟化的液体聚硅酸氯化铝铁絮凝剂加入一定量硬脂酸钠，聚合制备了纳米级聚硅酸氯化铝铁。笔者以铝合金废渣为原料，用盐酸浸取其中的铝进而合成聚硅酸铝铁絮凝剂，用于处理造纸废水，其对废水脱色和COD去除效果均优于聚合氯化铝（PAC）。目前从铝合金废渣中浸取铝制备聚硅酸铝铁絮凝剂并用于处理造纸废水还未见报道。

1　实验部分

1.1原料、试剂与仪器

原料：铝合金门窗锯屑（合金牌号为LD3），主要成分及含量 （质量分数）：Al，88.07%；Si，0.2%～0.6%；Mg，0.39%～0.45%；Cu，≤0.1%；Fe，≤0.35%；Mn，≤0.1%；Zn，≤0.1%；Cr，≤0.1%；Ti，≤0.1%；其他。试剂：氯化铁、硅酸钠、氢氧化钠、盐酸、硫酸亚铁、氟化铵等，均为分析纯。仪器：HH型恒温水浴锅；JJ-1型电动搅拌机；85-2型恒温磁力搅拌器；GZX-9140型数显鼓风干燥箱；PHS-3E型pH计；TU1901型紫外可见分光光度计；Spectrum 2000 FTIR红外光谱仪。

1.2酸浸铝合金废渣

盐酸浸取铝合金废料原理：

铝合金门窗锯屑约80%粒度小于1.70 mm。挑出杂质并筛分，将粒度小于1.70mm废渣放在150μm标准筛中，用水冲洗，然后放入烘箱干燥。称取一定量废渣加入三口烧瓶，置于恒温水浴中，在搅拌条件下缓慢滴加一定浓度的盐酸，反应一段时间后趁热过滤并洗涤，合并滤液和一洗液，计量滤液和一洗液体积，检测溶液中铝的含量。

1.3PAFSC制备

将铝合金废渣浸取液三氯化铝溶液配成浓度为0.8 mol/L，按比例加入浓度为0.8 mol/L的FeCl3溶液，在高速搅拌下滴加NaOH溶液调节碱化度。反应熟化1 h后加入一定量活化硅酸钠溶液再反应2 h，得到液体聚硅酸铝铁絮凝剂。将液体絮凝剂置于烘箱中干燥，研磨成粉末得到固体絮凝剂。

1.4PAFSC处理造纸废水

取100 mL稀释100倍并调节pH为5.5的废水于250 mL烧杯中，称取一定量絮凝剂加入烧杯中，将烧杯置于30℃恒温水浴锅中，快速搅拌1 min，慢速搅拌2min，使絮凝剂充分溶解后絮凝，静置30min，取上清液检测COD和色度。

1.5检测方法和表征

废渣中铝含量测定采用EDTA络合滴定法；酸浸液中铝含量测定采用EDTA络合滴定法；铝浸取率=滤液中铝的质量/铝合金废渣中铝的质量；废水色度去除率测定采用稀释倍数法；废水COD去除率测定采用重铬酸钾法。

2　结果与讨论

2.1从铝合金废渣中浸取铝实验条件确定

用盐酸浸取铝合金废渣，铝的浸取率较高，不需要预先煅烧废渣。酸解水平与浸取温度、盐酸浓度、盐酸用量、浸取时间等有关。

1）反应时间的确定。实验条件：反应温度为60℃，盐酸和铝物质的量比为3∶1，HCl浓度为4 mol/L。考察反应时间对Al浸取率的影响，结果见图1。盐酸浸取废渣属气-液-固三相反应过程，含外扩散、内扩散和化学反应等多个步骤。由图1看出，反应10 min时Al的浸取率为85.61%；随着反应时间的增加Al的浸取率快速增加，反应20 min时Al的浸取率为89.32%，属快速反应；反应20 min以后Al的浸取率开始下降，这可能是随着反应时间的增加溶出的Al3+吸附在不溶物表面，使得Al的浸取率有所下降。因此选择反应时间为20 min。

2）反应温度的确定。实验条件：盐酸与铝物质的量比为3∶1，反应时间为20 min，HCl浓度为4 mol/L。考察反应温度对铝浸取率的影响，结果见图2。由图2看出，反应温度对铝浸取率的影响较大，Al的浸取率随温度呈正相关关系。反应温度为80℃时Al的浸取率为92.66%，铝的浸取率较高。反应温度过高，反应加剧，盐酸挥发及水分蒸发速率加大，产生烟雾，且容易爆沸喷出。因此选择反应温度为80～90℃。

图1　反应时间对铝浸取率的影响

图2　反应温度对铝　浸取率的影响

3）盐酸浓度的确定。实验条件：盐酸与铝物质的量比为3∶1，反应温度为80℃，反应时间为20 min。考察盐酸浓度对铝浸取率的影响，结果见图3。实验以改变加水量来调节盐酸浓度。由图3看出，Al浸取率随HCl浓度的增加呈先增加后缓慢下降趋势。盐酸浓度较低时，单位体积内HCl分子数量少，与废渣中Al接触机会少，故反应速率低、Al的浸取率低；随着HCl浓度提高，Al浸取率显著增加，当盐酸浓度达到6 mol/L时，Al浸取率最高，达到94.23%。继续提高HCl浓度，Al浸取率缓慢下降。这是因为HCl浓度升高，料液黏度增大，液膜阻力增加，流动性下降，混合不够均匀；同时盐酸浓度过高，反应剧烈，在加热过程中容易产生暴沸现象，不利于操作控制。HCl浓度过高，还会加大对设备的腐蚀性。综合考虑，选择HCl浓度为6mol/L。

4）盐酸用量的确定。废渣中铝与盐酸反应生成可溶性铝盐，因此盐酸加入量影响铝的浸取率。实验条件：反应温度为80℃，反应时间为20 min，盐酸浓度为6 mol/L。考察盐酸用量对铝浸取率的影响，结果见图4。盐酸用量分别取理论值（盐酸与铝物质的量比为3∶1）的0.8、0.9、1.0、1.1、1.2倍。由图4看出，Al浸取率随着盐酸用量的增加而提高。这是因为，盐酸用量增加，反应体系中HCl分子与废渣中Al接触机会增加，所以Al浸取率提高。当盐酸用量为理论值1.0倍时，Al浸取率为94.25%；当盐酸用量为理论值1.1倍时，Al浸取率最高，为95.05%。盐酸用量过大会增加碱化剂用量。因此选择盐酸用量为理论量1.0倍，即n（HCl）∶n（Al）=3∶1。

图3　盐酸浓度对铝浸取率的影响

图4　盐酸用量对铝　浸取率的影响

2.2PAFSC红外表征

图5为PAFSC红外光谱图。由图5看出，在3 446 cm-1附近存在一个范围很大的宽吸收峰，这是PAFSC中铝、铁离子与羟基键相连叠加形成的强吸收峰；在1 634 cm-1处的强吸收峰是羟基吸收峰；在1 100～975 cm-1处有一个吸收峰，是Si—O—Fe或Si—O—Al的伸缩振动导致，其透光度非常明显；在591 cm-1处较宽吸收峰附近是Fe—O、Al—O弯曲振动吸收峰。根据红外光谱图分析表明，絮凝剂中存在Fe—O、Al—O及Si—O—Fe或Si—O—Al键，说明反应物已经有效形成无定形共聚物。

图5　PAFSC红外光谱图

2.3PAFSC处理造纸废水实验

实验废水取自某造纸厂制浆工段洗涤废水。废水呈深黑色，COD为150 000 mg/L，pH=9.0～10.0。将原水稀释100倍后测得COD为1 532 mg/L，pH= 9.12。将稀释后废水用盐酸或NaOH调节pH（用pH计测定）为5.5。比较了自制PAFSC和市售PAC对废水的处理效果，结果见图6。由图6看出，絮凝剂投加量＜0.5g/L时，PAFSC的絮凝效果优于PAC；絮凝剂投加量＞0.5 g/L时，PAC的絮凝效果优于PAFSC。这说明，采用PAC处理造纸废水时，其投加量比PAFSC多才能达到更好的效果，但PAC达到的最优絮凝效果依然不如PAFSC。由图6可以看出，PAFSC的投加量为0.4 mg/L时，其对造纸废水COD及色度的去除率分别达到68%和92%以上。

图6　絮凝剂投加量对废水脱色率（a）和COD去除率（b）的影响

3　结论

用盐酸浸取铝合金门窗锯屑中的铝来制备PAFSC工艺可行。优化工艺条件：反应时间为20 min，反应温度为 80℃，盐酸浓度为 6 mol/L，n（HCl）∶n（Al）=3∶1。在此条件下铝的浸取率＞95%，滤液中氯化铝质量分数为12%～15%。此浸取反应属于快速反应。采用自制聚硅酸铝铁絮凝剂处理造纸废水，絮凝效果优于PAC。在PAFSC投加量为400 mg/L、废水初始pH为5.5条件下，废水COD及色度去除率分别达到68%和92%以上。

［1］张瑛，阮晓红.水处理混凝剂及其发展方向［J］.污染防治技术，2003，16（4）：45-49.

［2］陈国斌，唐课文，朱政兵.聚硅酸氯化铝铁絮凝剂的研制和应用［J］.湖南理工学院学报：自然科学版，2003，16（4）：47-49.

［3］景红霞，李巧玲，王亚昆，等.从粉煤灰中制备聚硅酸铝铁絮凝剂及应用研究［J］.化学工程师，2006（1）：9-11.

［4］高秀美，衣守志，王青臣.聚硅酸氯化铝铁絮凝剂的合成及其特性［J］.水资源保护，2007，23（3）：77-79.

［5］俞尚清，潘志彦，钱小飞，等.聚硅酸氯化铝铁絮凝剂制备及絮凝效果的研究［J］.环境污染与防治，2004，26（2）：121-123.

［6］张巍巍，郑永杰，田景芝.聚硅酸氯化铝铁絮凝剂的制备及其应用［J］.化工时刊，2012，26（11）：23-26.

［7］马同森，樊忠昌.纳米聚硅酸铝铁絮凝剂的制备和性能［J］.化学研究，2007，18（2）：24-27.

联系方式：liu276326@163.com

Preparation of flocculant PAFSC by aluminium waste slag and application in pulping wastewater treatment

Liu Xiaohong，Xun Kaibing，Yang Fangqi，Qiu Shunguo
（School of Resources，Environmental&Chemical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

Flocculant PAFSC was prepared by aluminium alloy waste slag as raw material.Through the single factor experiment，the optimum conditions to leaching aluminium waste slag in hydrochloric acid were as follows：reaction time was 20 min，reaction temperature was 80℃，hydrochloric acid concentration was 6 mol/L，and amount-of-substance ratio n（HCl）∶n（Al）= 3∶1.The leaching rate of aluminium was more than 95%under these conditions.By leaching aluminium waste slag to get the aluminium chloride solution to produce the PAFSC and PAFSC was applied in pulping waste water treatment.Using 400 mg/L of the PAFSC to deal with the pulping wastewater，the COD removal rate and decolorization rate of pulping wastewater could reach 68%and 92%respectively.The effect of PAFSC was better than that of PAC（polyaluminium chloride）.

aluminium waste slag；leaching；flocculant PAFSC；treatment；pulping wastewater

TQ133.1

A

1006-4990（2016）03-0063-03

2015-09-22

刘晓红（1963—），女，教授，研究方向为绿色化工。