煤矸石制備復(fù)合絮凝劑聚合氯化鋁鐵鈣(PAFCC)的研究.pdf

1、我國煤炭生產(chǎn)具有著悠久的歷史，是煤炭的生產(chǎn)大國。在煤炭的采、選過程中會產(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，給環(huán)境與生態(tài)造成了嚴重影響。因此對煤矸石的處理、處置及資源化利用研究已勢在必行。
　　無機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，其在處理含微細顆粒廢水時比傳統(tǒng)絮凝劑的性能優(yōu)良，并且比有機高分子絮凝劑的價格低廉。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高分子絮凝劑的主要成份，是制備無機高分子絮凝劑的天然原料。如果能對煤矸石中的鋁、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)同作用機理，對于煤矸石的綜合利用具有重要的理論和實際意義。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高分子絮凝劑——聚合氯化鋁鐵鈣(PAF

3、CC)。重點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產(chǎn)品的影響，應(yīng)用正交實驗對生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化。同時利用現(xiàn)代分析測試手段對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)表征，并對作用機理及混凝性能進行研究。
　　通過煅燒前后的對比分析，煅燒對形成高性能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:酸浸時間3h，加酸量0.7g/g，固液比1∶4，鋁、鐵、鈣溶出率分別可達53.7％、6.08％、2.56％;堿化聚合最優(yōu)反應(yīng)條件為:聚合時間30min、溫度60℃、pH值3.7，產(chǎn)物鹽基度為60.3％。制備產(chǎn)品符合我國聚合氯化鋁(PAC)的國家標準(GB15892-2009)，可以進行市場銷售、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)陰離子振動峰頻、羥基和水的振動峰頻以及八面體陽離子與層間陽離子Ca+振動峰頻，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。
　　采用混凝試驗對PAFCC和PAC進行混凝性能對比研究。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