CN103382044A

CN103382044A - 一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法

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Publication number: CN103382044A
Application number: CN2013102705642A
Authority: CN
Inventors: 宫惠峰; 王怀宇; 程永高; 张辉; 张孟存; 杨金梅; 侯素霞; 丁淑杰; 陈宁
Original assignee: 宫惠峰
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2013-11-06

Abstract

本发明公开了一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，包括以下步骤：A、焙烧：在坩埚中加入粉煤灰和Na₂CO₃，使粉煤灰中的铝、硅转变为活性较大的无定型体或晶体；B、酸浸：将酸洗废液加入焙烧过的粉煤灰中，在恒温水浴中搅拌过滤，得酸浸滤液和滤渣，将滤渣凉干、研细；C、碱溶：将滤渣加入碱性溶液中煮沸，将反应液过滤，滤液即为硅酸钠溶液；D、加酸聚合：将上述硅酸钠溶液，在搅拌下加废酸调节溶液pH值后聚合，可得聚硅酸溶液；E、将上述聚硅酸溶液与酸浸滤液混合，搅拌，熟化，得产物为红棕色胶状液体，即得复合絮凝剂。本发明的目的是提供一种工艺简单，有效利用粉煤灰和钢铁厂酸洗废液制备复合絮凝剂的方法。

Description

一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法

技术领域

本发明涉及一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法。

背景技术

复合型无机高分子絮凝剂是指含有铝盐、铁盐和硅酸盐等多种具有絮凝或助凝作用的物质，铝系、铁系无机絮凝剂作为无机絮凝剂的两大类已有几十年的发展历史，单纯的铝盐存在着沉降速度慢，除色效果差等缺点，而单纯的铁盐虽然沉降速度快，除浊效果好，但铁盐具有很强的腐蚀性。因此将铝、铁共聚合成新的聚合物，使其兼具一般铝盐、铁盐的特点，成为新的研究方向。

活化硅酸是在上世纪30年代中后期作为混凝剂在水处理中应用的，但由于聚硅酸具有很强的自聚能力，在实际应用中受到很大的限制。后来研究发现，金属离子不但能提高聚硅酸的絮凝效果，而且能提高其稳定性，人们便利用硅酸和其它金属盐复配来实现聚硅酸的改性，得到的聚硅酸盐絮凝剂不但具有无机高分子絮凝剂的电中和作用，也具有有机高分子絮凝剂卷扫网捕作用。因而其等效使用量减少，处理后残留量低，生产成本相对较低而引起了水处理界的极大关注，成为复合絮凝剂研究的一个热点。

聚硅酸铝铁是在聚硅酸和传统铝盐、铁盐絮凝剂的基础上发展起来的新型复合无机高分子絮凝剂。它是依据协同增效的原理将铝盐和铁盐引入到聚硅酸溶液中的方法制备而成。该絮凝剂综合了聚硅酸粘结、聚集、吸附以及架桥效能和铝盐絮凝剂絮体大，色性能好、铁盐絮凝剂絮体密实、沉降速度快等特点，具有较强的架桥、吸附性能。因此，在工业用水的预处理、各类工业废水的处理和生活污水、污泥的处理等方面有着广阔的应用前景。

我国是个产煤大国，煤炭作为生产基本燃料，燃烧后会产生大量的固体废物一粉煤灰。2000年粉煤灰排放量约为1.5亿吨，到2010年达到3亿吨，给我国的国民经济建设及生态环境造成巨大的压力。粉煤灰的综合利用，变废为宝、变害为利，已成为我国经济建设中一项重要的技术经济政策。在钢铁制品的加工过程中，经常要用到硫酸对其表面进行酸洗除锈和除氧化皮处理，由此产生大量酸洗废液，很多企业不能综合利用，一方面污染环境，另一方面也造成资源的浪费。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种工艺简单，有效利用粉煤灰和钢铁厂酸洗废液制备复合絮凝剂的方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下方案：

一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于包括以下步骤：

A、焙烧：在坩埚中加入粉煤灰和Na₂CO₃，焙烧温度为800-950℃，时间为50-80min，使粉煤灰中的铝、硅转变为活性较大的无定型体或晶体；

B、酸浸：将酸洗废液加入焙烧过的粉煤灰中，在80-100℃的恒温水浴中搅拌0.5-1.5h，过滤，得酸浸滤液和滤渣，将滤渣凉干、研细；

C、碱溶：将步骤B中的滤渣加入碱性溶液中煮沸4-6h，将反应液过滤，滤液即为硅酸钠溶液；

D、加酸聚合：将上述硅酸钠溶液，在搅拌下加废酸调节溶液pH值为2.5-3.5后聚合0.5-1.5h，可得聚硅酸溶液；

E、将上述聚硅酸溶液与酸浸滤液混合，于45-55℃，搅拌50-60min，熟化24-36h，得产物为红棕色胶状液体，即得复合絮凝剂。

如上所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤A中的焙烧温度为850℃，时间为60min。

如上所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤B中的水浴温度为90℃，搅拌时间为1h。

如上所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤C中滤渣加入碱性溶液中煮沸时间为5h。

如上所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤D中pH值为3，聚合时间为1h。

如上所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤E中在50℃，搅拌60min，熟化24h。

如上所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤C中所述的碱性溶液为工业NaOH溶液。

如上所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤B酸洗废液主要成分包括硫酸质量分数11％，硫酸亚铁质量分数19％。

如上所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤D所述的废酸为硫酸废酸。

为了验证本发明复合絮凝剂的絮凝性能，本发明进行了以下试验：

取200mL废水置于500mL烧杯中，先用pH计调节pH，再加入一定量的聚硅酸铝铁，用磁力加热搅拌器搅拌一定时间，静置分层后，取上层清液测定COD、浊度，考察各种因素对絮凝效果的影响。

一、聚硅酸铝铁加入量对絮凝效果的影响

在废水pH为6、搅拌转速为100r/min、搅拌时间为4min、静置时间为20min的条件下，考察了聚硅酸铝铁加入量对絮凝效果的影响，实验结果见图1。

从图1可见，脱墨废水浊度去除率随着絮凝剂加入量的增大而提高，当加入量达到300mg·L^-1时，去除率达93.7％；COD_Cr去除率为81.5％；而COD_Cr去除率在加入量为250mg·L^-1时效果最好，去除率达85.1％，此时浊度去除率达93.2％。再增加絮凝剂用量，COD_Cr去除率反而下降，且随着聚硅酸铝铁量的增加，形成矾花越来越小，下沉越来越慢。这是因为分散在水中的胶体颗粒带有一定的电荷，它们之间的电斥是胶体稳定的主要因素。聚硅酸铝铁絮凝剂具有硅酸的阴离子性和金属离子的阳离子性，通过静电中和、吸附架桥以及网捕等作用机理，将废水中的各种杂质絮凝分离。但絮凝剂对任何一种污水都会有一个最佳的投加量，在这个投加量下，絮凝剂恰好全部作用在杂质颗粒上，而且絮团的沉降速度最大。投加量过少，会有部分杂质颗粒未受到絮凝药剂的作用，处于悬浮状态；投加量过多，会使杂质胶体颗粒带上相反电荷而脱稳。综合COD_Cr、浊度去除率、矾花沉降速度、处理后效果及经济等方面的因素，确定聚硅酸铝铁的最佳投药量为250mg/L。

二、搅拌转速对絮凝效果的影响

在废水pH为6，聚硅酸铝铁加入量为250mg/L，搅拌时间为4min、静置时间为20min的条件下，考察了搅拌转速对絮凝效果的影响，实验结果见图2。从图2可见，搅拌转速为100r/min时，浊度和COD的去除率最高。因此，确定搅拌转速为100r/min。

三、搅拌时间对絮凝效果的影响

在废水pH为6，聚硅酸铝铁加入量为250mg/L，搅拌转速为100r/min、静置时间为25min的条件下，考察了搅拌时间对絮凝效果的影响，实验结果见图3。从图3可见，搅拌时间为3min时，浊度和COD的去除率最高。因此，确定搅拌时间为4min。

实验结果表明最佳搅拌强度和时间分别为100r/min、4min，此时聚硅酸铝铁的絮凝效果浊度去除率达91.2％，COD_Cr去除率达85.2％。如果搅拌时间过长，速度过快，会将能够沉降的颗粒搅碎变成不沉降颗粒，从而降低絮凝效果；如果时间过短，速度过慢，絮凝剂和杂质颗粒不能充分接触，不利于絮凝剂的捕集，而且絮凝剂的浓度也分布不均匀，不利于发挥絮凝作用。所以，搅拌速度和时间选择的恰当，有利于絮凝剂发挥作用，提高絮凝效果。

四、静置时间对絮凝效果的影响

在废水pH为6，聚硅酸铝铁加入量为250mg/L、搅拌转速为100r/min、搅拌时间为4min的条件下，考察了静置时间对絮凝效果的影响，实验结果见图4。

由图4可知：随静置时间的延长，浊度和COD_Cr的去除率逐渐增加。当静置时间超过20min时，浊度和COD_Cr.的去除率变化不大，故实验确定静置时间为20min。在此条件下的浊度去除率为91.23％，COD去除率为85.24％。

五、废水pH对絮凝效果的影响

在聚硅酸铝铁加入量为250mg/L、搅拌转速为100r/min、搅拌时间为4min、静置时间为20min的条件下，考察了废水pH对絮凝效果的影响，实验结果见图5。

从图5可见：pH为5～8时，浊度和COD的去除效果较好，当pH小于5或大于8时，浊度和COD的去除效果相对较差。这是因为pH值直接影响废水悬浮颗粒的Zeta电位以及絮凝剂的絮凝作用，当pH值小于5.0和大于8.0时，胶体的存在状态发生改变，浊度和COD_Cr的去除率明显降低。试验还表明，在pH＝6时，由于铝水解生成大量的无定形沉淀而易下沉，使得水体中残留铝量下降至最低值^[8]，综合考虑选择pH＝6较合适。因此，在实际应用当中，可以通过投加碱或酸将水体pH值调到适宜范围，以提高处理效果。

综上所述，本发明相对于现有技术其有益效果是：

粉煤灰中主要成分为SiO₂、Al₂O₃，铁含量不足，而酸洗废液中除了残酸还含有大量铁离子，本发明中利用这些工业废料制备无机高效复合絮凝剂聚硅酸铝铁(PAFSi)，达到以废制废，资源综合利用的目的。本发明聚硅酸铝铁比聚合硫酸铁和聚合氯化铝聚合硫酸铁处理废水效果更佳。

附图说明

图1为聚硅酸铝铁加入量对絮凝效果影响的示意图；

图2为搅拌转速对絮凝效果影响的示意图；

图3为搅拌时间对絮凝效果影响的示意图；

图4为静置时间对絮凝效果影响的示意图；

图5为废水pH对絮凝效果影响的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述：

实施例1

本发明采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，包括以下步骤：

A、焙烧：在坩埚中加入粉煤灰和Na₂CO₃，焙烧温度为800℃，时间为50min，使粉煤灰中的铝、硅转变为活性较大的无定型体或晶体；

B、酸浸：将酸洗废液加入焙烧过的粉煤灰中，在80℃的恒温水浴中搅拌0.5h，过滤，得酸浸滤液和滤渣，将滤渣凉干、研细；其中酸洗废液主要成分包括硫酸质量分数11％，硫酸亚铁质量分数19％；

C、碱溶：将步骤B中的滤渣加入碱性溶液中煮沸4h，将反应液过滤，滤液即为硅酸钠溶液；

D、加酸聚合：将上述硅酸钠溶液，在搅拌下加废酸调节溶液pH值为2.5后聚合0.5h，可得聚硅酸溶液；其中所述的废酸为硫酸废液；

E、将上述聚硅酸溶液与酸浸滤液混合，于45℃，搅拌50min，熟化36h，得产物为红棕色胶状液体，即得复合絮凝剂聚硅酸铝铁。

实施例2

A、焙烧：在坩埚中加入粉煤灰和Na₂CO₃，焙烧温度为850℃，时间为60min，使粉煤灰中的铝、硅转变为活性较大的无定型体或晶体；

B、酸浸：将酸洗废液加入焙烧过的粉煤灰中，在90℃的恒温水浴中搅拌1h，过滤，得酸浸滤液和滤渣，将滤渣凉干、研细；其中酸洗废液主要成分包括硫酸质量分数11％，硫酸亚铁质量分数19％；

C、碱溶：将步骤B中的滤渣加入碱性溶液中煮沸5h，将反应液过滤，滤液即为硅酸钠溶液；

D、加酸聚合：将上述硅酸钠溶液，在搅拌下加废酸调节溶液pH值为3后聚合1h，可得聚硅酸溶液；其中所述的废酸为硫酸废液；

E、将上述聚硅酸溶液与酸浸滤液混合，于50℃，搅拌60min，熟化24h，得产物为红棕色胶状液体，即得复合絮凝剂聚硅酸铝铁。

实施例3

A、焙烧：在坩埚中加入粉煤灰和Na₂CO₃，焙烧温度为950℃，时间为80min，使粉煤灰中的铝、硅转变为活性较大的无定型体或晶体；

B、酸浸：将酸洗废液加入焙烧过的粉煤灰中，在100℃的恒温水浴中搅拌1.5h，过滤，得酸浸滤液和滤渣，将滤渣凉干、研细；其中酸洗废液主要成分包括硫酸质量分数11％，硫酸亚铁质量分数19％；

C、碱溶：将步骤B中的滤渣加入碱性溶液中煮沸6h，将反应液过滤，滤液即为硅酸钠溶液；

D、加酸聚合：将上述硅酸钠溶液，在搅拌下加废酸调节溶液pH值为3.5后聚合1.5h，可得聚硅酸溶液；其中所述的废酸为硫酸废液；

E、将上述聚硅酸溶液与酸浸滤液混合，于55℃，搅拌60min，熟化24h，得产物为红棕色胶状液体，即得复合絮凝剂聚硅酸铝铁。

本发明实施例1-3中复合絮凝剂与市售絮凝剂聚合氯化铝(PAC)和聚合硫酸铁(PFS)絮凝性能比较：

用本发明复合絮凝剂与聚合氯化铝(PAC)和聚合硫酸铁(PFS)在相同投加量下，分别对造纸脱墨废水进行实验，絮凝性能比较见表1。

表1不同絮凝剂最佳投药量条件下的絮凝效果比较

与市售的两种絮凝剂相比，本发明复合絮凝剂在浊度和COD_Cr去除率方面效果显著，明显优于其它两种絮凝剂。本发明复合絮凝剂结合了硅、铝、铁三类絮凝剂的优点，既具有铝盐絮凝剂矾花大、水处理面宽、除浊效果好、对设备管路腐蚀性小等优点，还具有铁盐絮凝剂絮体沉降快、易于分离、低温水处理性能好、水处理pH值范围大等特点，复合絮凝剂具有“吸附架桥”、“电中和”、“沉淀”和“螯合网捕”四种絮凝作用。聚硅酸中引入铝、铁等金属后，不仅能显著地改善其混凝沉降性能，也使聚硅酸溶液的稳定性得到了改善。

Claims

1.一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤A中的焙烧温度为850℃，时间为60min。

3.根据权利要求1所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤B中的水浴温度为90℃，搅拌时间为1h。

4.根据权利要求1所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤C中滤渣加入碱性溶液中煮沸时间为5h。

5.根据权利要求1所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤D中pH值为3，聚合时间为1h。

6.根据权利要求1所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤E中在50℃，搅拌60min，熟化24h。

7.根据权利要求1所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤C中所述的碱性溶液为工业NaOH溶液。

8.根据权利要求1所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤B酸洗废液主要成分包括硫酸质量分数11％，硫酸亚铁质量分数19％。

9.根据权利要求1所述的一种采用粉煤灰与酸洗废液制备复合絮凝剂的方法，其特征在于步骤D所述的废酸为硫酸废酸。