高温拜耳法赤泥制备聚合氯化铝铁絮凝剂及其应用研究

张延利,孙凤娟,刘中凯

(中铝郑州有色金属研究院有限公司,河南 郑州 450041)

赤泥是氧化铝生产过程中的伴随产物,每生产1吨氧化铝会产生1～2吨赤泥,目前全球赤泥堆存量超27亿吨,我国赤泥堆存量超10亿吨,对生态环境造成了极大的压力。然而目前我国赤泥的综合利用率不足5%,赤泥有效资源化利用事关铝工业的可持续发展。研究证实,赤泥本身含有丰富的铁、铝等有效活性成分,具备制备铝铁絮凝剂的条件。用赤泥制备絮凝剂是赤泥资源化利用的途径之一[1-7,9]。本文通过对酸浸、聚合及熟化等工艺的研究[8,10],最终成功制备了聚合氯化铝铁絮凝剂,测试了其结构、盐基度等相关性能,并将其应用在了改善污泥沉降性能上,取得了良好效果。

1 实验原料与方法

1.1 实验原料

本次实验原料为河南某氧化铝厂的高温拜耳法赤泥,采用MagiX(PANalytical)荧光分析仪分析拜耳法赤泥的化学组成,如表1所示。

表1 拜耳法赤泥的化学组成

从表1中可以看出,该拜耳法赤泥中Al2O3和Fe2O3,约占整个组分的38%,具有较高的资源化利用价值。

采用X’Pert PRO 型X 射线衍射仪测得如图1所示赤泥的XRD衍射图谱。

图1 拜耳法赤泥的XRD衍射图谱

由图1可看出,该拜耳法赤泥主要矿物组成为钙水化石榴石(Ca3Al2(SiO4) (OH)8)和钙霞石(Na6Ca2Al6Si6O2(CO3)2·2H2O),其次是赤铁矿(Fe2O3)、石英(SiO2)和方解石(CaCO3)。

1.2 实验方法

①将赤泥105℃烘干,研磨后过200目筛,控制一定液固比,用浓盐酸在一定温度下浸出(正交试验设计表见表2),根据铝铁浸出率筛选确定最佳浸出条件;②浸出后的混合液过滤,调节滤液pH值,在一定温度下聚合、熟化(正交试验设计表见表3),根据盐基度测试结果筛选确定最佳聚合条件;③在最佳浸出及聚合条件下制备液体赤泥基聚合氯化铝铁絮凝剂,并测试其结构、盐基度等性能(为便于红外及SEM分析,将聚合后的液体聚合氯化铝铁絮凝剂在80℃条件下低温烘干得到固体聚合氯化铝铁絮凝剂);④向相同体积、高度的市政原污泥中分别加入10 mL液体赤泥基聚合氯化铝铁絮凝剂、同类商品絮凝剂及0.2%PAM(空白样不添加任何添加剂),摇匀后静置,观察沉降情况并记录沉降体积,对比其对污泥沉降性能的改善效果。

表2 赤泥铝铁浸出正交试验设计

表3 聚合正交试验设计

本文实验方法中所述聚合氯化铝铁絮凝剂的盐基度测试方法均根据GB/T 22627-2014。

2 试验结果与讨论

2.1 铝铁浸出条件筛选

结合铝铁浸出条件表4、表5研究结果,确定浸出最佳条件为:反应时间2 h,反应温度80℃,液固比7,盐酸浓度6 mol/L。

表4 铝浸出条件筛选

表5 铁浸出条件筛选(正交试验)

2.2 聚合氯化铝铁絮凝剂聚合条件筛选

由表6可见,聚合实验中,对絮凝剂盐基度影响最大的因素是聚合时间,其次是反应温度、pH值,最后是碱浓度。最佳聚合条件是:聚合时间4 h、pH2.5、反应温度70℃、碱浓度2.0 mol/L。

表6 酸浸液聚合试验

2.3 赤泥基聚合氯化铝铁絮凝剂性能测定

在最佳铝铁浸出条件及聚合条件下制备液体赤泥基聚合氯化铝铁絮凝剂,测得其盐基度为66.90%,在GB/T 22627-2014要求的盐基度30%～96%之间,理论上具有一定絮凝效果。将聚合后的液体聚合氯化铝铁絮凝剂在80℃条件下低温烘干计得到固体聚合氯化铝铁絮凝剂,其红外光谱分析结果及SEM结果见图3和图4。

图2 赤泥基聚合氯化铝铁絮凝剂

图3 赤泥基聚合氯化铝铁絮凝剂红外光谱图

由图3可见,在3250～3650 cm-1间形成的吸收峰是由赤泥基高效活化剂中OH-基团的伸缩振动产生的;1550～1650 cm-1羟基桥连聚铁和聚铝聚合物的伸缩振动峰,500～750 cm-1是Fe-O-Fe,Al-O-Al的伸缩振动峰,说明赤泥基高效活化剂含有大量的铝铁聚合物,图4扫描电镜图也印证了这一点,赤泥基高效活化剂的微观结构为网状互联结构。

图4 赤泥基聚合氯化铝铁絮凝剂SEM图

2.4 赤泥基聚合氯化铝铁絮凝剂对污泥沉降性能的影响

根据所记录的沉降时间与沉降体积,计算得出了不同絮凝剂作用下市政原污泥的沉降压缩比(沉降开始后30 min时,泥柱体积与总体积的百分比),具体见表7。

表7 不同絮凝剂作用下污泥的沉降压缩比

由表7可见,4#添加0.2%PAM的污泥柱沉降压缩比最小,沉降效果好,3#添加10 mL液体赤泥基高聚合氯化铝铁絮凝剂的污泥柱沉降压缩比次之,沉降效果良好,优于同类商品絮凝剂(1#)。从沉降30 min时刻和12 h时刻的实验照片也可以看出,对市政污泥沉降性能的改善效果从高到低依次是:4#-0.2%PAM>3#-液体赤泥基高聚合氯化铝铁絮凝剂>1#-同类商品聚合氯化铝铁絮凝剂>2#-空白(具体见图5和图6)。

图5 不同絮凝剂作用下污泥的沉降性能的影响(30min后)

图6 不同絮凝剂作用下污泥的沉降性能的影响(12h后)

3 结 论

(1)结合铝铁浸出条件研究结果,赤泥最佳浸出条件为:反应时间2 h,反应温度为80℃,液固比7,盐酸浓度6 mol/L。最佳聚合条件是:聚合时间4 h、pH值2.5、反应温度70℃、碱浓度2.0 mol/L。

(2)在最佳铝铁浸出条件及聚合条件下制得的赤泥基聚合氯化铝铁絮凝剂,盐基度为66.90%,呈网状互联结构。

(3)通过考察不同絮凝剂对市政污泥沉降性能的影响,结果表明,对市政污泥沉降性能的改善效果从高到低依次是:PAM>液体赤泥基高聚合氯化铝铁絮凝剂>同类商品聚合氯化铝铁絮凝剂。

(4)采用高温拜耳法赤泥制备的赤泥基聚合氯化铝铁絮凝剂对市政污泥沉降性能具有较好的改善作用,实际生产中还需要兼顾赤泥酸浸渣的资源化利用。