进口铝土矿制备高效聚合氯化铝铁(PAFC)试验及应用研究

郑 霞

(中铝山东有限公司，山东 淄博 255061)

聚合氯化铝铁(PAFC)是由铝盐和铁盐混凝水解而成的一种无机高分子絮凝剂，依据协同增效原理，它兼具铝盐和铁盐的絮凝特性，广泛应用于工业污水、城市生活污水等各个方面，做水处理净化剂。目前国内外制备高铁PAFC的方法有很多。国外采用加入铁粉、铁屑等方式生产，此工艺生产成本高，铁含量低。国内较典型的和使用最多的工艺方法是采用高温焙烧的铝矾土、煤矸石为原料，经过酸浸，回流，调pH聚合的过程生产[1]。

国内外以铝土矿生产聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铝铁的经验表明：铝土矿物因其矿物结构的不同可分为一水软铝石、一水硬铝石、三水软铝石、高岭土等物质，矿物组成结构的不同决定了Al2O3制取工艺的不同。

该进口矿石主要是三水软铝石，可在常压下用盐酸直接溶出。三水软铝石化学活性好，石英含量低，易于酸浸出，具备矿石制备净水剂的试验条件，同时SiO2含量低，产生残渣量少，环境污染降低，可替代国内矿轻烧铝矾土制备净水剂。

1 原料与仪器

1.1 主要试验原料

原料：进口矿石，碱化助剂，30%盐酸。

该进口矿石是以三水氧化铝为主的高铁低硅铝土矿。化学组成见表1，物相组成见表2。

表1 矿石主要成分分析表Tab.1 Main composition analysis of ore (%)

表2 主要物相组成表Tab.2 Composition of main phases

1.2 主要试验仪器

主要试验仪器：电子恒温水浴搅拌锅，PHS-3型酸度计，SH-Ⅲ型循环式真空泵，TA4-6型混凝试验搅拌仪，XZ-0142型多参数水质分析仪，TSJ-PC03型水质重金属检测仪[2]。

2 工艺研究

高效PAFC制备工艺流程如图1，将进口矿石进行预处理，通过控制液固比、盐酸浓度、反应温度、反应时间，在恒温磁力搅拌锅中进行常压反应，制备得到浸出溶液。按照预定的碱化度及Al2O3含量，加入碱剂度调整助剂，通过控制助剂加入量、反应时间、温度，过滤得到成品聚合氯化铝铁复合净水剂产品。室温下静置熟化48小时，并进行样品检测分析，测定PAFC的Al2O3、B、pH、Fe2O3指标。并进行混凝对比评价试验研究。

图1 工艺流程图Fig.1 Process flow chart

溶液采用国家标准GB/T 22707—2014测试，主要技术指标如表3。

表3 主要技术指标分析Tab.3 Analysis of main technical indexes

从表3中可以看出，PAFC的Al、Fe总量达到了12%以上，且盐基度B值达到72.79%，同时具备了PAC和PAFC的絮凝性质。

由电镜扫描图(图2)可知,聚合氯化铝铁絮凝剂结构紧密,分子之间相互结合形成较长的链,而且彼此交错形成高聚合度的具有网状结构大分子物质,因此其吸附网捕能力强,沉降速度快,絮凝效果好[3-4]。

图2 PAFC SEM效果图Fig.2 SEM effect of PAFC

3 结果讨论

3.1 自热温度的影响因素

该矿石氧化铝组成主要以三水软铝石为主，与高浓度盐酸发生剧烈放热反应，根据理论热焓值计算，通过控制反应过程中主要参数指标完全可实现自热溶解，降低能耗。实验室进行了盐酸浓度、矿石粒度对温度影响的正交试验，矿石粒径及盐酸浓度对温度的影响如图3所示。

图3 自热温度影响分布图Fig.3 Distribution of self heating temperature influence

通过提高盐酸浓度、降低矿石粒度，可提高自热溶出温度，实现矿石免加热反应，在盐酸浓度达到10 mol/L，矿石粒径<1 mm的试验条件下，自热温度能升至95 ℃以上，满足试验研究。

3.2 溶出率的影响因素

根据前期的温度影响试验条件，采用盐酸浓度10 mol/L，矿石研磨粒径<1 mm的进口矿石进行不同时间的溶出试验，溶出时间对Al2O3、Fe2O3溶出率指标的影响如图4所示。

图4 溶出时间对溶出率的影响Fig.4 Effect of dissolution time on dissolution rate

随着溶出时间的延长，Al2O3、Fe2O3的溶出率大幅度提高，当溶出时间达到3 h时，溶出效率达到顶峰。同时pH值提高，Fe2O3的溶出率开始下降。试验过程时间控制在2.5～3 h效率最好。

3.3 残渣钛含量的影响

随着酸溶出过程的反应完全，时间延长，残渣物质组成发生重大变化，随着溶出率的升高，溶出渣减少，渣中TiO2含量大幅度上升。不同溶出率下的渣中主要成分分布如表4，XRD衍射如图5所示。

表4 溶出渣主要成分分析表Tab.4 Analysis of main components of slags (%)

图5 溶出渣XRD衍射图Fig.5 XRD diffraction pattern of slag

从XRD衍射中可以看出主要物质组成为：TiO2、SiO2及γ-AlOOH。当溶出量达到96%以上，TiO2含量达到40%以上，可以通过氯化焙烧或者进一步硫酸浸出，制备钛白粉。

3.4 高效PAFC净水效果对比试验

铝盐和铁盐在水处理过程中发生水解和聚合反应过程，水中的胶体颗粒能强烈吸附水解和聚合反应过程中出现的各种产物：各种Al3+和Fe3+的化合物和多种多核羟基络离子。被吸附的带正电的多核羟基络离子能够压缩双电层，降低动电位(ζ-电位)同时进行架桥作用。多核聚合物为两个以上的交通颗粒所共同吸附，将两个或多个胶体颗粒架桥连接等。这些属于胶体颗粒的聚集作用，从而逐步形成絮凝体，絮凝剂最终形成的聚合度很大的Al(OH)3或Fe(OH)3将使絮凝过程加速，絮凝体由小变大[3-4]。

原水配制条件：作为原水使用的水样是将高岭土粉末放入自来水中制备的。高岭土粒度：+1250目，9克放到10 L水中。

实验室进行混凝评价试验采用成品PAFC与市售PAC进行混凝评价对比试验。试验结果见表5。

表5 混凝后指标对比测试结果表Tab.5 Comparison test results of indexes after coagulation

由表5数据可以看出，与PAC应用效果对比，PAFC混凝效果好，矾花大，水质浊度低，同时对pH影响小，水质变化小，去浊效果明显。

4 结论

进口矿石复合的高效PAFC的Al、Fe总量达到了12%以上，且盐基度B值达到72.79%，同时具备了PAC和PAFC的絮凝性质，通过与PAC进行混凝对比评价，其具有絮凝速度快，结实粗大、沉降性能好等絮凝特性，及优越的除浊、脱色特性。

溶出渣残留量低，TiO2含量高，可制备钛白粉等高附加值产品，减少酸性渣的污染，提高矿石利用率。

进口矿石相比于铝矾土制备PAFC，无需加热，残渣量少，属于真正的绿色产品开发，非常适合我国的国情，具有很好的科学价值和重大的实践生产意义。