用氯化鐵廢液制備聚合氯化鐵并處理洗煤廢水試驗研究

孔德順，王魯鳳，蔣榮立

(1.六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004；2.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221016；3.貴州省煤炭潔凈利用重點實驗室，貴州 六盤水 553004)

聚合氯化鐵(PFC)是常用的水處理劑，具有產生礬花大、顆粒沉降速度快、安全性好等優點[1]。聚合氯化鐵的制備多以FeCl2為原料[2-3]，而FeCl2常以鋼鐵酸洗廢水[4]、鐵礦石、鐵屑、氧化鐵皮、硫鐵礦等為原料制備，制備過程中往往需要加入NaClO3[5]、H2O2[6]、HNO3等氧化劑或NaNO2等催化劑[7]，存在工藝復雜且成本較高等缺點[8]。試驗采用FeCl3廢液為原料，采用水熱法制備PFC，省去中間氧化過程，比常用的中和法[9]、凝膠法[10]、加熱法[11]等工藝簡單，且具有反應條件溫和、環保節能等優點。PFC常用于飲用水和工業水處理[12-16]。洗煤廠產生的大量廢水需處理后循環使用，但用PFC處理洗煤廢水的研究卻鮮見報道。試驗以高鐵煤矸石鹽酸浸出液(氯化鐵廢液)為原料，利用水熱合成法制備PFC，并用PFC處理洗煤廢水，以期為氯化鐵溶液及洗煤廢水的處理提供可行方法。

1 試驗部分

1.1 試驗原料、儀器及試劑

試驗原料：氯化鐵廢液，高嶺土，主要污染物為煤泥及細粒黏土礦物的洗煤廢水。

試驗儀器：ARL9900XP+型X射線熒光光譜儀(XRF)，FTIR-6700型傅立葉變換紅外光譜儀，TD2500型X射線多晶衍射儀(XRD)，WGZ-1A型濁度，HH-S2型數顯恒溫水浴鍋，錐形瓶等。

試驗試劑：Na2CO3、NaOH、鹽酸等，均為分析純。

1.2 試驗方法

1.2.1 聚合氯化鐵(PFC)的制備

取一定量氯化鐵廢液，調整Fe3+濃度及pH，加入到水浴鍋中，在40～50 ℃下恒溫一定時間，冷卻至室溫并靜置老化1 d，即得液態PFC產物。

1.2.2 PFC去濁性能的測定

洗煤廢水800 mL，加入3.0 g高嶺土，此為高嶺土模擬廢水。調節模擬廢水pH=7.0，加入1%PFC溶液5.0 mL，先在1 000 r/min條件下攪拌3 min，再在60 r/min條件下攪拌10 min，之后沉降30 min，測定上清液濁度，計算去濁率。試驗均在室溫下進行。

2 試驗結果與討論

2.1 PFC的制備

表1 PFC的制備及處理模擬廢水正交試驗因素、水平及結果

表1中，k1、k2、k3分別為對應指標值的平均值。可以看出：影響聚合氯化鐵處理模擬廢水性能的因素主次為聚合溫度>體系pH>Fe3+濃度>聚合時間。聚合溫度決定反應速率，對產物聚合度影響最大；適宜的體系pH有利于產物鹽基度提高，pH太低不利于產物聚合，太高則容易使體系中鐵離子形成沉淀。優化條件為：聚合溫度50 ℃，體系pH=1.0，Fe3+濃度0.50 mol/L，聚合時間3.0 h。

2.2 PFC的表征

2.2.1 PFC的物相分析

優化條件下制備的PFC在低溫下烘干然后進行物相分析，結果如圖1所示。可以看出：PFC的XRD圖譜為背底較高的彌散峰，未見三氯化鐵衍射峰，說明三氯化鐵發生了聚合，所得產物為無定形態。

圖1 所制備PFC的XRD圖譜

2.2.2 PFC的紅外光譜分析

優化條件下制備的PFC干燥后進行IR分析，結果如圖2所示。可以看出：在3 362 cm-1處出現與鐵離子相連的羥基伸縮振動吸收峰[17]；在1 635 cm-1處出現H2O分子彎曲振動吸收峰；在1 112 cm-1附近出現Fe—OH—Fe伸縮振動吸收峰[18]；751 cm-1附近出現Fe—O—Fe彎曲振動吸收峰；在621 cm-1處有疊加在水分子吸收峰上的Fe—OH彎曲振動吸收峰。這表明樣品中存在以羥基橋聯的鐵聚合物[19-20]，為無機高分子聚合物PFC。

圖2 產物的IR圖譜

2.3 洗煤廢水的處理

2.3.1 體系pH對廢水去濁率的影響

5份洗煤廢水各加入5 mL 1%PFC溶液，攪拌后沉降30 min，測定上清液濁度并計算去濁率。體系pH對廢水去濁率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 體系pH對廢水去濁率的影響

由圖3看出：隨廢水pH增大至7.0，去濁率達最大；廢水pH >7.0后，去濁率降低。在酸性或堿性條件下，PFC均會發生水解，進而影響去濁效果。綜合考慮，確定洗煤廢水適宜pH為7.0。

2.3.2 PFC用量對廢水去濁率的影響

洗煤廢水800 mL，廢水pH=7.0，加入不同量1%PFC溶液，攪拌并沉降30 min后，測定上清液濁度并計算去濁率。PFC用量對廢水去濁率的影響試驗結果如圖4所示。可以看出：隨PFC用量增加，廢水去濁率逐漸提高；PFC用量大于5.0 mL后，廢水去濁率趨于穩定。水中污染物顆粒攜帶同種電荷，加入PFC后，發生電荷中和反應使顆粒凝聚；當PFC用量大于5.0 mL時，電荷中和平衡，去濁率變化不大。綜合考慮，確定PFC適宜用量為5.0 mL。

圖4 PFC用量對廢水去濁率的影響

2.3.3 沉降時間對廢水去濁率的影響

洗煤廢水800 mL，廢水pH=7.0，快速加入1%PFC 5.0 mL，攪拌后沉降，然后測定上清液濁度并計算去濁率。沉降時間對廢水去濁率的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 沉降時間對廢水去濁率的影響

由圖5看出：沉降時間越長，廢水去濁效果越好；沉降40 min后，去濁率在98%以上。這是由于PFC和污染物小顆粒發生電中和以后，污染物小顆粒因消除了布朗運動而聚集沉降。但考慮到沉降時間過長會導致處理效率降低，綜合考慮，確定沉降時間以40 min為宜。

3 結論

用氯化鐵廢液制備聚合氯化鐵混凝劑并用于處理洗煤廢水是可行的。在氯化鐵廢液中Fe3+濃度0.50 mol/L、體系pH=1.0、聚合時間3.0 h、聚合溫度50 ℃下可獲得絮凝效果較好的PFC混凝劑。在中性條件下，用1%PFC、控制用量5.0 mL處理800 mL洗煤廢水、沉降40 min的條件下，洗煤廢水去濁率可達98%以上。