煤矸石制備復(fù)合絮凝劑聚合氯化鋁鐵鈣(PAFCC)的研究.pdf

1、我國(guó)煤炭生產(chǎn)具有著悠久的歷史，是煤炭的生產(chǎn)大國(guó)。在煤炭的采、選過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢棄物——煤矸石。煤矸石的閑置堆積不僅占用大量土地，而且也是一種資源浪費(fèi)，給環(huán)境與生態(tài)造成了嚴(yán)重影響。因此對(duì)煤矸石的處理、處置及資源化利用研究已勢(shì)在必行。
　　無機(jī)高分子絮凝劑是在傳統(tǒng)鋁鹽、鐵鹽基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型水處理藥劑，其在處理含微細(xì)顆粒廢水時(shí)比傳統(tǒng)絮凝劑的性能優(yōu)良，并且比有機(jī)高分子絮凝劑的價(jià)格低廉。煤矸石主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3

2、和CaO組成，其含量總和通常都在95％以上，富含了制備鋁系無機(jī)高分子絮凝劑的主要成份，是制備無機(jī)高分子絮凝劑的天然原料。如果能對(duì)煤矸石中的鋁、鐵、鈣加以利用，尋找適宜的制備工藝路線，制備出含鋁、鐵、鈣的復(fù)合無機(jī)高分子絮凝劑，并且通過理論研究揭示絮凝劑中鋁、鐵、鈣元素的協(xié)同作用機(jī)理，對(duì)于煤矸石的綜合利用具有重要的理論和實(shí)際意義。本研究基于此基礎(chǔ)，利用煤矸石采用煅燒酸溶堿化聚合工藝制備一種新型高效的無機(jī)高分子絮凝劑——聚合氯化鋁鐵鈣(PAF

3、CC)。重點(diǎn)研究了制備工藝過程中煅燒活化、酸溶、堿化聚合工藝階段各因素對(duì)產(chǎn)品的影響，應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)利用現(xiàn)代分析測(cè)試手段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，并對(duì)作用機(jī)理及混凝性能進(jìn)行研究。
　　通過煅燒前后的對(duì)比分析，煅燒對(duì)形成高性能PAFCC有著重要作用。煤矸石的主要礦物組分為高嶺石Al2O3·2SiO2·2H2O，它是由一層硅氧四面體和一層鋁氧八面體構(gòu)成的1∶1型的層狀硅酸鹽粘土礦物，Si和Al的配位數(shù)分別是4和6。結(jié)構(gòu)單

4、層完全相同，層間以氫鍵相聯(lián)結(jié)，無水分子和離子，由共同的氧原子聯(lián)結(jié)在一起組成晶胞。晶胞間聯(lián)結(jié)緊密，不易分散。煅燒后的煤矸石結(jié)構(gòu)呈疏松狀態(tài)，煅燒過程中結(jié)晶態(tài)的高嶺石由于脫羥基轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)的偏高嶺石Al2O32SiO2，偏高嶺石具有大的比表面積和高的化學(xué)反應(yīng)活性，其分解的SiO2、 Al2O3等有效物質(zhì)具有較大的可溶性。煅燒溫度低于600℃，煅燒煤矸石為殘留煤的燃燒以及高嶺石中結(jié)構(gòu)水的脫除，煤矸石中的碳不易清除完全;高于950℃偏高嶺石的結(jié)構(gòu)

5、已完全破壞，煤矸石又會(huì)形成新的尖晶石相而失去活性。煤矸石的最佳煅燒活化溫度為750℃，此溫度下有效物質(zhì)的溶出率最大，煤矸石的活性最高。
　　經(jīng)分析測(cè)得，煤矸石中SiO2、Al2O3和Fe2O3含量分別為52.15％、22.67％和4.01％。其中Al2O3含量較為豐富，用于制備聚合氯化鋁類水處理藥劑是可行的。試驗(yàn)研究得知，煤矸石經(jīng)粉碎至0.2mm高溫煅燒及煅燒溫度750℃自然冷卻后，在常壓、反應(yīng)溫度為105-108℃（水和鹽酸的共

6、沸溫度）下，20％（質(zhì)量百分比，％）鹽酸浸取煤矸石有效物質(zhì)的優(yōu)化反應(yīng)條件為:酸浸時(shí)間3h，加酸量0.7g/g，固液比1∶4，鋁、鐵、鈣溶出率分別可達(dá)53.7％、6.08％、2.56％;堿化聚合最優(yōu)反應(yīng)條件為:聚合時(shí)間30min、溫度60℃、pH值3.7，產(chǎn)物鹽基度為60.3％。制備產(chǎn)品符合我國(guó)聚合氯化鋁(PAC)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB15892-2009)，可以進(jìn)行市場(chǎng)銷售、使用。
　　經(jīng)結(jié)構(gòu)形態(tài)表征，制備的PAFCC是具有類鈣礬石3C

7、aO·Al2O3·3CaSO4·31H2O與類鐵鋁酸鹽C2AxF1-x(x=0-0.67)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，呈類空心管柱狀結(jié)晶體形貌結(jié)構(gòu);PAFCC中的主要特征頻譜有絡(luò)陰離子振動(dòng)峰頻、羥基和水的振動(dòng)峰頻以及八面體陽(yáng)離子與層間陽(yáng)離子Ca+振動(dòng)峰頻，分子中存在Al-O-H-Al、Fe-O-H-Fe結(jié)構(gòu)，是一種含氯的鋁、鐵多羥基聚合物。PAFCC是有序性良好的單斜晶系物質(zhì)，推測(cè)其分子通式為:[Al(13-x-y)FexCa2NaSiyO22(OH)

8、z]m Cl(24-z)·nH2O,0≤x≤5,0≤y≤8,0≤z≤24。
　　采用混凝試驗(yàn)對(duì)PAFCC和PAC進(jìn)行混凝性能對(duì)比研究。結(jié)果表明PAFCC處理高嶺土廢水的優(yōu)化條件為:投加量500mg/L、廢水的pH值為8、沉降時(shí)間為15min、攪拌速度為200r/min; PAC處理高嶺土廢水的優(yōu)化條件為:投加量500mg/L、廢水的pH值為9、沉降時(shí)間為15min、攪拌速度為200r/min。在各自優(yōu)化條件下，PAFCC廢水處理效