煤矸石制备聚合氯化铝及其废水处理研究

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以工业废渣煤矸石为原料制备了聚合氯化铝(PAC),确定了制备优化条件,利用制备的PAC进行处理生活污水和印染废水试验,并与市售PAC进行了对比试验。结果表明,废水的pH在6.0~10.0时,浊度去除率和COD去除率效果均较好,煤矸石PAC适宜的投加量为0.3~0.5mL/L;由煤矸石为原料制得的PAC比市售PAC处理废水效果更佳。
煤矸石是工业废渣中排放量最大、占地最多、污染环境较为严重的固体废物。提高煤矸石的资源化利用率就成为比较重要的研究课题。在无机絮凝剂中,铝系絮凝剂和硅系絮凝剂占有相当大的比重,而煤矸石的主要成分为氧化铝和氧化硅。聚合氯化铝(PAC)主要用途是做生活用水和工业用水的净水剂,也可用于净化废水。PAC用于净水时比一般铝盐具有效率高、用量少、使用方便、使用性强等优点。其净水能力比硫酸铝高8~10倍,凝聚时形成絮状物的速度快且颗粒大。PAC的制备,通常采用高岭土或废铝为原料,本研究利用煤矸石为原料制备PAC,并将其用于处理废水研究。
1.原料与方法
1.1原料及仪器
原料:煤矸石(山西某煤矿);试剂:乙二胺四乙酸二钠,六次甲基四胺,氟化钠,氯化锌,酚酞指示剂,百里香酚蓝指示剂,二甲酚橙指示剂,均分析纯。仪器:722E型分光光度计,SX2-5-12箱式电阻炉,JJ-1型电动搅拌器,WZS-185型浊度仪。
分析方法:氧化铝含量及盐基度按GB15892-1995测定;废水的浊度用浊度计测定,色度用稀释倍数法测定,COD用K2Cr2O7法测定。
1.2煤矸石PAC的制备
焙烧:将煤矸石粉碎过筛,并将过筛的煤矸石装入坩锅中焙烧活化,焙烧温度控制在650~750℃时间为5h。焙烧好的煤矸石呈灰白色,取出,自然冷却。焙烧后的煤矸石称为煤矸粉。
酸浸:在装有电动搅拌器、温度计、冷凝器的250mL三口瓶中,将一定含量的盐酸按一定配比与煤矸粉混合,加热搅拌,温度为110℃,并控制一定反应时间。
渣液分离:将反应液过滤,滤液中加入少量硫化钠,除去溶液中的杂质离子,过滤。将残渣烘干、称量。
水解聚合:将上述滤液放置3d,期间每天加热煮沸搅拌1h。水解聚合后的淡黄色溶液,即为PAC。测定其Al2O3的含量和盐基度。
1.3废水处理
分别取1L生活污水和1L印染废水,用移液管加入0.3mL煤矸石PAC,快速搅拌(600r/min)1min,调节污水的pH,再慢速搅拌(100r/min)30s。待反应结束后,缓慢提起搅拌棒,静置10min。用吸管吸取上清液,测其浊度及COD。在其他因素不变的试验条件下,改变废水的pH或改变煤矸石PAC的投加量,重复以上试验。而后将煤矸石PAC与市售PAC进行处理生活污水和印染废水比较试验。
2.结果与讨论
2.1反应制备机理
酸溶:

2.2制备优化条件
焙烧温度为650~750℃时,氧化铝便转为具有化学活性表面积较大的γ-Al2O3,氧化铝浸取率较大。
当盐酸的含量相同时,产品的氧化铝含量开始随加酸摩尔比的增加而增加。加入的盐酸与煤矸粉中氧化铝的摩尔比为1:7.0时,产品的质量最佳,当盐酸增至过大时,多余盐酸使反应液的体积变大反而使产品中氧化铝含量变低。因盐酸的质量分数在20%时沸点最高,浸出效果亦较理想,所以选用质量分数20%的盐酸作溶剂合适。
加酸摩尔比、盐酸含量一定时,煤矸粉中氧化铝的浸出率随酸浸时间的增加而增大。酸浸时间少于5h时,增幅较大,大于5h时,增幅较小。
2.3废水处理
2.3.1废水pH对处理效果的影响
在其他因素不变的试验条件下,改变废水的pH,研究煤矸石PAC去除浊度和COD的效果,试验结果见图1。

pH的增大,PAC水解生成的絮状胶体对脱稳的微粒产生了粘结架桥絮凝和卷扫沉淀作用,使胶粒聚沉,从而使浊度和COD去除率随之增大。由图1可知,污水的pH在6.0~10.0时,浊度去除率和COD去除率效果均较好。原生活污水的pH为7.5,浊度去除率和COD去除率分别达到91.5%和80.3%。原印染废水的pH为6.0,浊度去除率和COD去除率分别达到82.5%和80.6%。所以不需要调节原污水的pH,就可以达到很好的去除浊度和COD的效果。
2.3.2煤矸石PAC投加量对处理效果的影响
在其他因素不变的条件下,改变煤矸石PAC的投加量,研究煤矸石PAC去除浊度和COD的效果,结果见图2。

由图2可知,煤矸石PAC投加量并非越多越好,在0.3~0.5mL/L时,浊度去除率和COD去除率均较好;当投加量大于0.6mL/L时,余浊较大,COD去除效果反而下降,处理效果不理想。这是因为在原污水中,胶体微粒带负电荷,比较稳定,不能沉降下来,当加入一定煤矸石PAC后,使胶体颗粒扩散层的厚度在逐渐下降,这样胶体颗粒之间就有可能克服它们之间的排斥能,互相碰撞,发生凝聚,从而使浊度和COD去除效果较为理想。当加入过量的煤矸石PAC,由于铝离子带有大量的正电荷,从而使胶体颗粒表面带有正电荷,此时微粒的相互碰撞又变难,不易凝聚。因此,煤矸石PAC的投加量有个适宜范围。PAC溶于水时,通过羟络反应和羟桥反应最后生成颗粒较大的[Al(OH)3.(H2O)]x。该水解产物系絮状胶体,悬浮于水中,通过电中和、吸附架桥和网捕等作用吸附水中的污染物及其它颗粒,使自己的体积不断的增大。当增大一定程度时,就沉积于容器底部,从而达到净水目的。
2.3.3煤矸石PAC与市售PAC处理效果比较
煤矸石PAC与市售PAC加入量均为0.3mL/L,处理生活污水(COD为450mg/L,浊度160NTU)和印染污水(COD为900mg/L,色度430倍)对比试验结果见表1。

由表1可知,以煤矸石为原料制备的PAC处理废水均优于市售的PAC处理效果。其原因是由于煤矸石中含有Fe2O3,在制备PAC的过程中同时生成了聚合氯化铁,使之具有聚合铝和聚合铁的特性,在净水过程中产生协同效应所致。
3.结论
用煤矸石为原料制备PAC不但可使废物利用、解决环境污染,而且经济实用。
试验表明,煤矸石PAC对生活污水和印染废水的浊度、COD去除效果好,矾花形成快、颗粒大、沉淀性能好。以煤矸石为原料制备的PAC处理废水效果优于市售的PAC。

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