摘要：煤泥的主要化學(xué)組分是SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等，通過(guò)煅燒，酸浸后，以煤泥酸浸濾液為原料，通過(guò)添加鋁酸鈣粉，制備聚合氯化鋁鐵絮凝劑。利用紅外光譜對(duì)合成產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，探討了鋁酸鈣粉量、Al/Fe、聚合溫度、聚合時(shí)間等合成條件對(duì)絮凝劑絮凝性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)鋁酸鈣粉量為22g、Al/Fe為11.4∶1、聚合溫度為90℃、聚合時(shí)間為4h時(shí)，合成的聚合氯化鋁鐵絮凝劑絮凝效果較佳，對(duì)西安護(hù)城河水的濁度去除率達(dá)到94.50%。

聚合氯化鋁鐵是一種新型高效鋁鐵基復(fù)合型無(wú)機(jī)絮凝劑，因其具有鹽基度高、對(duì)水適應(yīng)性強(qiáng)、密度大、沉降速度快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于給水、工業(yè)廢水和生活污水的處理中，應(yīng)用前景大。

煤泥是煤炭洗選加工過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，其產(chǎn)量隨著煤炭入選率的提高而不斷增加。傳統(tǒng)煤泥的利用主要集中在型煤、水煤漿、磚、工業(yè)填料等方面，這些利用途徑或是會(huì)產(chǎn)生二次固體廢棄物，或是產(chǎn)品的附加值較低，探索煤泥的綜合、高效、潔凈利用迫在眉睫。

煤泥的主要化學(xué)組分是SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、K₂O、MgO等，對(duì)煤泥進(jìn)行煅燒活化，酸浸除鐵，濾渣可以為合成高硅型分子篩提供硅源和鋁源，酸浸濾液可以為合成聚合氯化鋁鐵絮凝劑提供鋁源和鐵源，這樣不僅緩解了煤泥堆積對(duì)環(huán)境帶來(lái)的危害，也為煤泥的綜合利用提供了新的途徑。本文以酸浸濾液為原料，通過(guò)添加鋁酸鈣粉調(diào)節(jié)產(chǎn)品鹽基度，探討堿基度、Al/Fe、聚合溫度、聚合時(shí)間等合成條件對(duì)產(chǎn)品絮凝性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和儀器

鹽酸、鋁酸鈣粉、氯化鐵；實(shí)驗(yàn)水樣取自西安城墻護(hù)城河（和平門(mén)橋下），濁度為18.08NTU；實(shí)驗(yàn)所用煤泥來(lái)自陜西黃陵二礦；煤泥主要化學(xué)組分見(jiàn)表1。

07HWS-2數(shù)顯恒溫磁力攪拌器；電子恒溫水浴鍋；SRJX-4-13型箱式電阻爐；DZ-2BCⅡ真空干燥箱；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵。

1.2 樣品制備酸浸液制備：將煤泥研磨至200目，在800℃下煅燒活化2.5h。將煤泥灰和鹽酸溶液按液固比為6mL·g^-1進(jìn)行混合反應(yīng)（其中鹽酸濃度為6mol·L^-1），置于90℃的恒溫水浴中，反應(yīng)回流4h，抽濾得酸浸濾液。

絮凝劑制備：向酸浸濾液中加入一定量的鋁酸鈣粉，置于100℃的水浴鍋內(nèi)攪拌反應(yīng)4.5h。將所得產(chǎn)品熟化24h后，即得絮凝劑液體產(chǎn)品。

1.3性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

FTIR分析：將制備好的絮凝劑液體產(chǎn)品放在95℃真空干燥箱中烘10h，然后用研缽將其磨成粉末狀，取干燥粉末樣品和KBr一起壓片制樣測(cè)試，測(cè)試波數(shù)范圍4000~400cm^-1，分辨率為4cm^-1。

絮凝實(shí)驗(yàn)方法：取西安護(hù)城河水400mL到500mL燒杯中，然后加入一定量的絮凝劑，在轉(zhuǎn)速為120r·min^-1下攪拌1min，在60r·min^-1下攪拌7min，然后靜置沉降10min，在液面下3cm處取液用分光光度法在680nm處測(cè)定濁度。

濁度去除率計(jì)算方法：N=（C1－C2）/C1×100%式中N：濁度去除率；C1：絮凝劑處理前水樣濁度；C2：絮凝劑處理后水樣濁度。

2結(jié)果與討論

2.1FTIR分析（圖1）

從圖1可以看出，3424cm^-1是樣品中與鋁離子相連的-OH基團(tuán)及樣品內(nèi)所吸附的水分子和配位分子中的-OH基團(tuán)伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的。吸收峰面積較大，表明樣品中羥基含量較高。1636cm^-1是由結(jié)合水（H-O-H）的彎曲振動(dòng)引起的吸收峰。992cm^-1左右的吸收峰是由Fe-OH-Fe，Al-OH-Al的面內(nèi)伸縮振動(dòng)峰。602cm^-1附近的峰是Al-OH-Al的整體彎曲振動(dòng)峰。

2.2聚合氯化鋁鐵絮凝劑制備優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1鋁酸鈣粉加入量由于酸浸液中酸度較強(qiáng)，

為了提高產(chǎn)品鹽基度，通常需要向反應(yīng)體系中加堿來(lái)調(diào)整pH值，本文添加的鋁酸鈣粉，不僅能提高產(chǎn)品鹽基度和產(chǎn)品有效組分，且價(jià)廉易得。

為了考察堿基度對(duì)合成聚合氯化鋁鐵絮凝劑的影響，固定12g煤泥灰的酸浸液，其他條件不變，分別添加14、16、18、20、22、24g鋁酸鈣，在聚合溫度為90℃下聚合反應(yīng)3h，熟化后，測(cè)定樣品的堿基度。圖2為鋁酸鈣粉對(duì)PAFC鹽基度的影響

由圖2可知，聚合氯化鋁鐵產(chǎn)品的鹽基度隨著鋁酸鈣粉加入量的增大而提高，當(dāng)鋁酸鈣粉加入量為22g時(shí)，產(chǎn)品的鹽基度可達(dá)72.51%，再繼續(xù)增加鋁酸鈣粉的量，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)品的鹽基度也增大，但是反應(yīng)體系不穩(wěn)定，容易變成糊狀。較后確定鋁酸鈣粉的量為22g。

2.2.2Al/Fe的影響為了考察Al/Fe（摩爾比）對(duì)合成聚合氯化鋁鐵絮凝劑的影響，固定鋁酸鈣粉量22g，其它條件不變，添加不同量的FeCl3·6H2O調(diào)節(jié)至各個(gè)指定量的Al/Fe（摩爾比）（10.6/11.4/12.2/13.1/14.2/15.6），在聚合溫度為90℃下聚合反應(yīng)3h，測(cè)定產(chǎn)品的絮凝實(shí)驗(yàn)。

圖3為Al/Fe（摩爾比）對(duì)PAFC絮凝性能影響。

由圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著Fe3+的增加，即Al/Fe（摩爾比）的降低，濁度去除率逐漸增大，產(chǎn)品的絮凝性能有明顯的提升，當(dāng)Al/Fe為11.4∶1時(shí)，濁度去除率達(dá)到較大值，絮凝效果較好。繼續(xù)增大鐵含量，濁度去除率顯著降低，絮凝效果反而下降。這主要是由于Fe3+比Al3+具有更強(qiáng)的水解能力。當(dāng)Fe含量過(guò)高時(shí)，因?yàn)镕e3+的水解速度要明顯大于比Al3+的水解速度，其迅速生成高聚物和凝膠，部分與Al3+形成共聚物，但是卻不能生成穩(wěn)定的多核絡(luò)合物，因此使共聚物由鏈狀結(jié)構(gòu)變成密實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，較終生成大量的無(wú)定型凝膠，促進(jìn)了不可逆的氫氧化物沉淀的生成，從而影響了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。較后確定較佳Al/Fe（摩爾比為11.4∶1)。

2.2.3反應(yīng)溫度的影響為了考察反應(yīng)溫度對(duì)合成聚合氯化鋁鐵絮凝劑的影響，固定鋁酸鈣粉量為22g，Al/Fe（摩爾比）至11.4，其它條件不變，在不同的聚合溫度（60℃/70℃/80℃/90℃/100℃）下聚合反應(yīng)3h，測(cè)定產(chǎn)品的絮凝實(shí)驗(yàn)。

圖4為反應(yīng)溫度對(duì)PAFC絮凝性能影響。

由圖4可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，濁度去除率逐漸增大，產(chǎn)品的絮凝效果越好，而在90℃以后，再繼續(xù)升高溫度，濁度去除率趨于平緩，變化不大。主要是因?yàn)殡S著反應(yīng)溫度的升高，促進(jìn)了Al3+和Fe3+的水解反應(yīng)，聚合單體生成速率變大，從而使產(chǎn)品的鹽基度增大，濁度去除率變大。由于聚合過(guò)程是一個(gè)放熱反應(yīng)，溫度過(guò)高在一定程度上又抑制了水解生成的單體羥基鋁絡(luò)離子發(fā)生聚合反應(yīng)生成二聚體、低聚體及高聚體等多種羥基聚合形態(tài)，從而使產(chǎn)品鹽基度增幅不大或有降低的趨勢(shì)。較后確定較佳反應(yīng)溫度為90℃。

2.2.4反應(yīng)時(shí)間的影響為了考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成聚合氯化鋁鐵絮凝劑的影響，固定鋁酸鈣粉量22g，Al/Fe（摩爾比）至11.4，聚合溫度為90℃，其它條件不變，在不同的聚合時(shí)間（2.5h/3h/3.5h/4h/4.5h/5h）下聚合反應(yīng)，測(cè)定產(chǎn)品絮凝實(shí)驗(yàn)。

圖5為反應(yīng)時(shí)間對(duì)PAFC絮凝性能影響。

由圖5可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，濁度去除率逐漸增大，產(chǎn)品的絮凝效果顯著提高，反應(yīng)時(shí)間為4h時(shí)，濁度去除率達(dá)到較大，再繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，濁度去除率變化不大。這主要是因?yàn)椋磻?yīng)時(shí)間過(guò)短，反應(yīng)體系不能吸收足夠的熱量進(jìn)行水解反應(yīng)，進(jìn)而影響聚合反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)品的聚合度不高。隨著反應(yīng)時(shí)間增加，越有利于聚合反應(yīng)的順利進(jìn)行，產(chǎn)品的鹽基度增大，濁度去除率上升。反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)產(chǎn)品鹽基度增加的貢獻(xiàn)不大，同時(shí)浪費(fèi)大量資源，影響生產(chǎn)周期。較后確定較佳反應(yīng)時(shí)間為4h。

綜上所述，合成聚合氯化鋁鐵絮凝劑的較佳工藝條件是：鋁酸鈣粉為22g、Al/Fe為11.4∶1、聚合溫度為90℃、聚合時(shí)間為4h。制得的固態(tài)產(chǎn)品中Al2O3含量為28.54%，F(xiàn)e2O3含量為2.21%，鹽基度為82.78%，且其他相關(guān)指標(biāo)均符合GB15892-2009和有關(guān)企業(yè)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)所用水樣濁度為18.08NTU，較優(yōu)條件下所制絮凝劑處理后水樣的濁度為0.99NTU,濁度去除率達(dá)到94.50%。

3結(jié)論

（1）以煤泥為原料合成聚合氯化鋁鐵絮凝劑，較佳制備條件為：鋁酸鈣粉為22g、Al/Fe為11.4∶1聚合溫度為90℃、聚合時(shí)間為4h。較優(yōu)條件下合成的聚合氯化鋁鐵絮凝劑具有很好的絮凝效果，對(duì)西安護(hù)城河水水樣濁度去除率達(dá)到94.50%。

（2）以煤泥制備聚合氯化鋁鐵絮凝劑，為黃陵煤泥找到了一條低碳綠色利用的新途徑，而且也為聚合氯化鋁鐵絮凝劑找到了新原料。