進(jìn)口鋁土礦制備高效聚合氯化鋁鐵(PAFC)試驗(yàn)及應(yīng)用研究

鄭 霞

(中鋁山東有限公司，山東 淄博 255061)

聚合氯化鋁鐵(PAFC)是由鋁鹽和鐵鹽混凝水解而成的一種無機(jī)高分子絮凝劑，依據(jù)協(xié)同增效原理，它兼具鋁鹽和鐵鹽的絮凝特性，廣泛應(yīng)用于工業(yè)污水、城市生活污水等各個(gè)方面，做水處理凈化劑。目前國內(nèi)外制備高鐵PAFC的方法有很多。國外采用加入鐵粉、鐵屑等方式生產(chǎn)，此工藝生產(chǎn)成本高，鐵含量低。國內(nèi)較典型的和使用最多的工藝方法是采用高溫焙燒的鋁礬土、煤矸石為原料，經(jīng)過酸浸，回流，調(diào)pH聚合的過程生產(chǎn)[1]。

國內(nèi)外以鋁土礦生產(chǎn)聚合氯化鋁(PAC)、聚合氯化鋁鐵的經(jīng)驗(yàn)表明：鋁土礦物因其礦物結(jié)構(gòu)的不同可分為一水軟鋁石、一水硬鋁石、三水軟鋁石、高嶺土等物質(zhì)，礦物組成結(jié)構(gòu)的不同決定了Al2O3制取工藝的不同。

該進(jìn)口礦石主要是三水軟鋁石，可在常壓下用鹽酸直接溶出。三水軟鋁石化學(xué)活性好，石英含量低，易于酸浸出，具備礦石制備凈水劑的試驗(yàn)條件，同時(shí)SiO2含量低，產(chǎn)生殘?jiān)可伲h(huán)境污染降低，可替代國內(nèi)礦輕燒鋁礬土制備凈水劑。

1 原料與儀器

1.1 主要試驗(yàn)原料

原料：進(jìn)口礦石，堿化助劑，30%鹽酸。

該進(jìn)口礦石是以三水氧化鋁為主的高鐵低硅鋁土礦?；瘜W(xué)組成見表1，物相組成見表2。

表1 礦石主要成分分析表Tab.1 Main composition analysis of ore (%)

表2 主要物相組成表Tab.2 Composition of main phases

1.2 主要試驗(yàn)儀器

主要試驗(yàn)儀器：電子恒溫水浴攪拌鍋，PHS-3型酸度計(jì)，SH-Ⅲ型循環(huán)式真空泵，TA4-6型混凝試驗(yàn)攪拌儀，XZ-0142型多參數(shù)水質(zhì)分析儀，TSJ-PC03型水質(zhì)重金屬檢測儀[2]。

2 工藝研究

高效PAFC制備工藝流程如圖1，將進(jìn)口礦石進(jìn)行預(yù)處理，通過控制液固比、鹽酸濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間，在恒溫磁力攪拌鍋中進(jìn)行常壓反應(yīng)，制備得到浸出溶液。按照預(yù)定的堿化度及Al2O3含量，加入堿劑度調(diào)整助劑，通過控制助劑加入量、反應(yīng)時(shí)間、溫度，過濾得到成品聚合氯化鋁鐵復(fù)合凈水劑產(chǎn)品。室溫下靜置熟化48小時(shí)，并進(jìn)行樣品檢測分析，測定PAFC的Al2O3、B、pH、Fe2O3指標(biāo)。并進(jìn)行混凝對比評價(jià)試驗(yàn)研究。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

溶液采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22707—2014測試，主要技術(shù)指標(biāo)如表3。

表3 主要技術(shù)指標(biāo)分析Tab.3 Analysis of main technical indexes

從表3中可以看出，PAFC的Al、Fe總量達(dá)到了12%以上，且鹽基度B值達(dá)到72.79%，同時(shí)具備了PAC和PAFC的絮凝性質(zhì)。

由電鏡掃描圖(圖2)可知,聚合氯化鋁鐵絮凝劑結(jié)構(gòu)緊密,分子之間相互結(jié)合形成較長的鏈,而且彼此交錯(cuò)形成高聚合度的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大分子物質(zhì),因此其吸附網(wǎng)捕能力強(qiáng),沉降速度快,絮凝效果好[3-4]。

圖2 PAFC SEM效果圖Fig.2 SEM effect of PAFC

3 結(jié)果討論

3.1 自熱溫度的影響因素

該礦石氧化鋁組成主要以三水軟鋁石為主，與高濃度鹽酸發(fā)生劇烈放熱反應(yīng)，根據(jù)理論熱焓值計(jì)算，通過控制反應(yīng)過程中主要參數(shù)指標(biāo)完全可實(shí)現(xiàn)自熱溶解，降低能耗。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了鹽酸濃度、礦石粒度對溫度影響的正交試驗(yàn)，礦石粒徑及鹽酸濃度對溫度的影響如圖3所示。

圖3 自熱溫度影響分布圖Fig.3 Distribution of self heating temperature influence

通過提高鹽酸濃度、降低礦石粒度，可提高自熱溶出溫度，實(shí)現(xiàn)礦石免加熱反應(yīng)，在鹽酸濃度達(dá)到10 mol/L，礦石粒徑<1 mm的試驗(yàn)條件下，自熱溫度能升至95 ℃以上，滿足試驗(yàn)研究。

3.2 溶出率的影響因素

根據(jù)前期的溫度影響試驗(yàn)條件，采用鹽酸濃度10 mol/L，礦石研磨粒徑<1 mm的進(jìn)口礦石進(jìn)行不同時(shí)間的溶出試驗(yàn)，溶出時(shí)間對Al2O3、Fe2O3溶出率指標(biāo)的影響如圖4所示。

圖4 溶出時(shí)間對溶出率的影響Fig.4 Effect of dissolution time on dissolution rate

隨著溶出時(shí)間的延長，Al2O3、Fe2O3的溶出率大幅度提高，當(dāng)溶出時(shí)間達(dá)到3 h時(shí)，溶出效率達(dá)到頂峰。同時(shí)pH值提高，F(xiàn)e2O3的溶出率開始下降。試驗(yàn)過程時(shí)間控制在2.5～3 h效率最好。

3.3 殘?jiān)伜康挠绊?/h3>

隨著酸溶出過程的反應(yīng)完全，時(shí)間延長，殘?jiān)镔|(zhì)組成發(fā)生重大變化，隨著溶出率的升高，溶出渣減少，渣中TiO2含量大幅度上升。不同溶出率下的渣中主要成分分布如表4，XRD衍射如圖5所示。

表4 溶出渣主要成分分析表Tab.4 Analysis of main components of slags (%)

圖5 溶出渣XRD衍射圖Fig.5 XRD diffraction pattern of slag

從XRD衍射中可以看出主要物質(zhì)組成為：TiO2、SiO2及γ-AlOOH。當(dāng)溶出量達(dá)到96%以上，TiO2含量達(dá)到40%以上，可以通過氯化焙燒或者進(jìn)一步硫酸浸出，制備鈦白粉。

3.4 高效PAFC凈水效果對比試驗(yàn)

鋁鹽和鐵鹽在水處理過程中發(fā)生水解和聚合反應(yīng)過程，水中的膠體顆粒能強(qiáng)烈吸附水解和聚合反應(yīng)過程中出現(xiàn)的各種產(chǎn)物：各種Al3+和Fe3+的化合物和多種多核羥基絡(luò)離子。被吸附的帶正電的多核羥基絡(luò)離子能夠壓縮雙電層，降低動電位(ζ-電位)同時(shí)進(jìn)行架橋作用。多核聚合物為兩個(gè)以上的交通顆粒所共同吸附，將兩個(gè)或多個(gè)膠體顆粒架橋連接等。這些屬于膠體顆粒的聚集作用，從而逐步形成絮凝體，絮凝劑最終形成的聚合度很大的Al(OH)3或Fe(OH)3將使絮凝過程加速，絮凝體由小變大[3-4]。

原水配制條件：作為原水使用的水樣是將高嶺土粉末放入自來水中制備的。高嶺土粒度：+1250目，9克放到10 L水中。

實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行混凝評價(jià)試驗(yàn)采用成品PAFC與市售PAC進(jìn)行混凝評價(jià)對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 混凝后指標(biāo)對比測試結(jié)果表Tab.5 Comparison test results of indexes after coagulation

由表5數(shù)據(jù)可以看出，與PAC應(yīng)用效果對比，PAFC混凝效果好，礬花大，水質(zhì)濁度低，同時(shí)對pH影響小，水質(zhì)變化小，去濁效果明顯。

4 結(jié)論

進(jìn)口礦石復(fù)合的高效PAFC的Al、Fe總量達(dá)到了12%以上，且鹽基度B值達(dá)到72.79%，同時(shí)具備了PAC和PAFC的絮凝性質(zhì)，通過與PAC進(jìn)行混凝對比評價(jià)，其具有絮凝速度快，結(jié)實(shí)粗大、沉降性能好等絮凝特性，及優(yōu)越的除濁、脫色特性。

溶出渣殘留量低，TiO2含量高，可制備鈦白粉等高附加值產(chǎn)品，減少酸性渣的污染，提高礦石利用率。

進(jìn)口礦石相比于鋁礬土制備PAFC，無需加熱，殘?jiān)可?，屬于真正的綠色產(chǎn)品開發(fā)，非常適合我國的國情，具有很好的科學(xué)價(jià)值和重大的實(shí)踐生產(chǎn)意義。