用聚硅酸硫酸鋁鐵處理洗煤廢水試驗研究

楊依民，孔德順，周鵬宇，蔣治衛(wèi)，施 蘭，孫 尋

(六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004)

煤炭加工過程中產(chǎn)生的洗煤廢水必須經(jīng)過處理達標后才可排放或循環(huán)利用。洗煤廢水常用聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)等進行絮凝處理。聚硅酸硫酸鋁鐵(PAFSS)是一種新型高分子絮凝劑，是聚硅酸與金屬鹽復合產(chǎn)物[1-2]，具有電中和作用強、礬花大、易沉降、污泥體積小、處理效率高等優(yōu)點；并且與PAM復合使用時具有更佳處理效果，可很大程度上減少絮凝劑用量[3-4]。試驗研究了用硫酸鐵、硫酸鋁及硅酸鈉為原料制備PAFSS，并考察所制備的PAFSS處理洗煤廢水的效果。

1 試驗部分

1.1 試驗試劑及儀器

試劑：Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、Na4SiO4、H2SO4、NaOH，均為分析純；洗煤廢水(模擬配制)。

儀器：pHS-25型pH計，WGZ-1A型濁度計，MP3002型電子天平，M1-211A型家用美的微波爐，TD-2500型X射線多晶衍射儀(XRD)等。

1.2 PAFSS的制備及PAM配制

稱取一定質量硅酸鈉，在錐形瓶中加水攪拌至完全溶解，調(diào)pH至1.5，活化15 min，再加入相應量硫酸鋁和硫酸鐵溶液，充分混合后放入微波爐中加熱反應。其他條件：二氧化硅質量分數(shù)1%，微波爐功率700 W，n(Fe3+)/n(Al3+)=1/1，n(Fe3+)/n(SiO2)=10/1，微波加熱時間3 min。微波加熱結束后，在室溫下熟化24 h，制得PAFSS。

取999 mL蒸餾水，邊加熱邊攪拌，然后緩慢加入PAM 1.000 0 g，使其完全溶解，獲得PAM溶液。

1.3 模擬洗煤廢水的處理

取1 000 mL大燒杯，量取800 mL模擬洗煤廢水，調(diào)洗煤廢水pH至一定值，然后加入一定量PAFSS，劇烈攪拌之后加入一定量PAM，然后放在攪拌器上先快速攪拌(1 000 r/min)再慢速攪拌(60 r/min)，最后靜置15 min。取上清液測定其濁度，并計算去濁率。計算公式為

2 試驗結果與討論

2.1 PAFSS的XRD分析

將制備的PAFSS在高溫、真空條件下烘干至呈淺黃色松軟粉體，裝片后進行XRD物相分析[5]，結果如圖1所示。

圖1 PAFSS的XRD分析圖譜

由圖1看出：所制備PAFSS的XRD分析圖譜中無明顯特征衍射峰，即不存在硫酸鋁、硫酸鐵和硅酸鈉，說明產(chǎn)物聚合良好；聚合后的產(chǎn)品主要呈無定形態(tài)。

2.2 PAFSS處理洗煤廢水

2.2.1 洗煤廢水pH對去濁率的影響

取5個1 000 mL大燒杯，各加入800 mL模擬洗煤廢水，分別調(diào)pH至5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，然后加入2 mL PAFSS，劇烈攪拌之后加入2 mL PAM，然后放在攪拌器上先快速攪拌3.0 min，再慢速攪拌2.0 min，最后靜置15.0 min。廢水pH對洗煤廢水去濁率的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 廢水pH對洗煤廢水去濁率的影響

由圖2看出：pH介于5.0～6.0范圍內(nèi)，隨pH增大，洗煤廢水去濁率迅速提高，并在pH=6.0時達最大，為98.38%；而pH大于6.0后，廢水去濁率隨pH增大而緩慢下降。PAFSS是通過水解時產(chǎn)生的帶正電的鹽基團與洗煤廢水中的帶負電的膠體和懸浮顆粒發(fā)生電中和、吸附架橋等作用，并在羥基作用下形成宏觀絮凝團從而凈化洗煤廢水[6]。試驗中，pH較低時，H+濃度較高，抑制了PAFSS中離子的水解，產(chǎn)生的鹽基團不足以將洗煤廢水中的雜質完全沉降，降低了凈化效果，故當pH增大時去濁率提高；而當pH大于6.0以后，再繼續(xù)增大pH，廢水中過多的羥基會與水解的鹽相結合發(fā)生沉降，從而使水解產(chǎn)生的基團不足以凈化廢水中的雜質。綜合考慮，確定廢水pH=6.0為宜。

2.2.2 PAFSS用量對去濁率的影響

取5個1 000 mL大燒杯，各加入800 mL模擬洗煤廢水，調(diào)pH=6.0，然后分別加入不同量PAFSS，劇烈攪拌之后再加入2 mL PAM，然后在攪拌器上先快速攪拌3.0 min，再慢速攪拌2.0 min， 最后靜置15.0 min。PAFSS用量對洗煤廢水去濁率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 PAFSS用量對洗煤廢水去濁率的影響

由圖3看出：隨PAFSS用量增加，洗煤廢水去濁率迅速下降；PAFSS用量為2 mL時，水解產(chǎn)生的金屬鹽基團基本上可以與廢水中的膠體和懸浮物完全中和；PAFSS用量不到2 mL時，水解的金屬鹽基團不足以沉降廢水中的雜質，而當PAFSS用量大于2 mL時，多余的帶正電金屬鹽基團會干擾電荷平衡，破壞已形成的絮凝團，使已經(jīng)絮凝的雜質重新懸浮，降低PAFSS去濁率。綜合考慮，確定PAFSS最佳用量為2 mL。

2.2.3 PAM用量對去濁率的影響

取5個1 000 mL大燒杯，各加入800 mL模擬洗煤廢水，調(diào)pH=6.0，加入PAFSS 2 mL，劇烈攪拌之后分別加入1～5 mL PAM，然后放在攪拌器上先快速攪拌3.0 min再慢速攪拌2.0 min，最后靜置15.0 min。PAM用量對洗煤廢水去濁率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 PAM用量對洗煤廢水去濁率的影響

由圖4看出：PAM用量在1～3 mL之間時，洗煤廢水去濁率隨PAM用量增加而提高；當PAM用量為3 mL時達最大，為98.00%；繼續(xù)增加PAM用量，廢水去濁率則迅速降低。PAM的作用是在PAFSS形成絮凝團后更進一步增大絮凝團體積而促進絮凝團沉降；但當PAM超過一定量時，反而會破壞絮凝團的穩(wěn)定性，降低去濁率。綜合考慮，確定PAM適宜用量為3 mL。

2.2.4 快速攪拌時間對去濁率的影響

取5個1 000 mL大燒杯，各取800 mL模擬洗煤廢水，調(diào)洗煤廢水pH=6.0，加入PAFSS 2 mL，劇烈攪拌之后再加入3 mL PAM，然后放在攪拌器上分別快速攪拌再慢速攪拌2.0 min，最后靜置15.0 min。快速攪拌時間對洗煤廢水去濁率的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 快速攪拌時間對洗煤廢水去濁率的影響

由圖5看出：隨快速攪拌時間延長，洗煤廢水去濁率迅速提高，攪拌3.0 min時達最高，為98.38%；快速攪拌時間再繼續(xù)延長，廢水去濁率快速降低。快速攪拌的作用是將PAFSS均勻分散到廢水中，使水解出的鹽基團與廢水中的膠體和顆粒懸浮物接觸充分；快速攪拌時間較短時，接觸不充分，不能完全中和，故去濁率較低；當快速攪拌時間過長，均勻分布體系又不斷被打亂，也不能充分接觸并完全中和，也會對去濁不利。綜合考慮，確定適宜的快速攪拌時間為3.0 min。

2.2.5 慢速攪拌時間對去濁率的影響

取5個1 000 mL大燒杯，各加入800 mL模擬洗煤廢水，調(diào)pH=6，加入PAFSS 2 mL，劇烈攪拌之后加入3 mL PAM，快速攪拌3.0 min后慢速攪拌1.0～5.0 min，最后靜置15.0 min。慢速攪拌時間對洗煤廢水去濁率的影響試驗結果如圖6所示。

圖6 慢速攪拌時間對洗煤廢水去濁率的影響

由圖6看出：隨慢速攪拌時間延長，洗煤廢水去濁率迅速提高，并在2.0 min時達最大，為98.38%；慢速攪拌時間再延長，廢水去濁率又快速降低。慢速攪拌時間為2.0 min時，金屬鹽基團對廢水中雜質的作用較為徹底并且對礬花的破壞最小，可以使絮凝團增大易于沉降；但慢速攪拌時間超過2.0 min后，不僅礬花被破壞，絮凝平衡也被破壞，已形成的絮凝團被打破不利于沉降，故去濁率降低。綜合考慮，確定慢速攪拌時間以2.0 min為宜。

3 結語

用自制的聚合硫酸鐵鋁絮凝劑處理洗煤廢水是可行的，適宜條件下(廢水體積800 mL，廢水pH=6，PAFSS用量2 mL，PAM用量3 mL，快速攪拌時間3.0 min，慢速攪拌時間2.0 min)，廢水去濁率可達98.38%，去濁效果較好。