探讨铝酸钙粉量、聚合温度、聚合时间等合成条件对聚合氯化铝铁絮凝剂絮凝性能的影响

摘要：煤泥的主要化学组分是SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等，通过煅烧，酸浸后，以煤泥酸浸滤液为原料，通过添加铝酸钙粉，制备聚合氯化铝铁絮凝剂。利用红外光谱对合成产物结构进行了表征，探讨了铝酸钙粉量、Al/Fe、聚合温度、聚合时间等合成条件对絮凝剂絮凝性能的影响。结果表明，当铝酸钙粉量为22g、Al/Fe为11.4∶1、聚合温度为90℃、聚合时间为4h时，合成的聚合氯化铝铁絮凝剂絮凝效果较佳，对西安护城河水的浊度去除率达到94.50%。

聚合氯化铝铁是一种新型高效铝铁基复合型无机絮凝剂，因其具有盐基度高、对水适应性强、密度大、沉降速度快等优点被广泛应用于给水、工业废水和生活污水的处理中，应用前景大。

煤泥是煤炭洗选加工过程中产生的固体废弃物，其产量随着煤炭入选率的提高而不断增加。传统煤泥的利用主要集中在型煤、水煤浆、砖、工业填料等方面，这些利用途径或是会产生二次固体废弃物，或是产品的附加值较低，探索煤泥的综合、高效、洁净利用迫在眉睫。

煤泥的主要化学组分是SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、K₂O、MgO等，对煤泥进行煅烧活化，酸浸除铁，滤渣可以为合成高硅型分子筛提供硅源和铝源，酸浸滤液可以为合成聚合氯化铝铁絮凝剂提供铝源和铁源，这样不仅缓解了煤泥堆积对环境带来的危害，也为煤泥的综合利用提供了新的途径。本文以酸浸滤液为原料，通过添加铝酸钙粉调节产品盐基度，探讨碱基度、Al/Fe、聚合温度、聚合时间等合成条件对产品絮凝性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料和仪器

盐酸、铝酸钙粉、氯化铁；实验水样取自西安城墙护城河（和平门桥下），浊度为18.08NTU；实验所用煤泥来自陕西黄陵二矿；煤泥主要化学组分见表1。

07HWS-2数显恒温磁力搅拌器；电子恒温水浴锅；SRJX-4-13型箱式电阻炉；DZ-2BCⅡ真空干燥箱；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵。

1.2 样品制备酸浸液制备：将煤泥研磨至200目，在800℃下煅烧活化2.5h。将煤泥灰和盐酸溶液按液固比为6mL·g^-1进行混合反应（其中盐酸浓度为6mol·L^-1），置于90℃的恒温水浴中，反应回流4h，抽滤得酸浸滤液。

絮凝剂制备：向酸浸滤液中加入一定量的铝酸钙粉，置于100℃的水浴锅内搅拌反应4.5h。将所得产品熟化24h后，即得絮凝剂液体产品。

1.3性能测试与结构表征

FTIR分析：将制备好的絮凝剂液体产品放在95℃真空干燥箱中烘10h，然后用研钵将其磨成粉末状，取干燥粉末样品和KBr一起压片制样测试，测试波数范围4000~400cm^-1，分辨率为4cm^-1。

絮凝实验方法：取西安护城河水400mL到500mL烧杯中，然后加入一定量的絮凝剂，在转速为120r·min^-1下搅拌1min，在60r·min^-1下搅拌7min，然后静置沉降10min，在液面下3cm处取液用分光光度法在680nm处测定浊度。

浊度去除率计算方法：N=（C1－C2）/C1×100%式中N：浊度去除率；C1：絮凝剂处理前水样浊度；C2：絮凝剂处理后水样浊度。

2结果与讨论

2.1FTIR分析（图1）

从图1可以看出，3424cm^-1是样品中与铝离子相连的-OH基团及样品内所吸附的水分子和配位分子中的-OH基团伸缩振动产生的。吸收峰面积较大，表明样品中羟基含量较高。1636cm^-1是由结合水（H-O-H）的弯曲振动引起的吸收峰。992cm^-1左右的吸收峰是由Fe-OH-Fe，Al-OH-Al的面内伸缩振动峰。602cm^-1附近的峰是Al-OH-Al的整体弯曲振动峰。

2.2聚合氯化铝铁絮凝剂制备优化试验

2.2.1铝酸钙粉加入量由于酸浸液中酸度较强，

为了提高产品盐基度，通常需要向反应体系中加碱来调整pH值，本文添加的铝酸钙粉，不仅能提高产品盐基度和产品有效组分，且价廉易得。

为了考察碱基度对合成聚合氯化铝铁絮凝剂的影响，固定12g煤泥灰的酸浸液，其他条件不变，分别添加14、16、18、20、22、24g铝酸钙，在聚合温度为90℃下聚合反应3h，熟化后，测定样品的碱基度。图2为铝酸钙粉对PAFC盐基度的影响

由图2可知，聚合氯化铝铁产品的盐基度随着铝酸钙粉加入量的增大而提高，当铝酸钙粉加入量为22g时，产品的盐基度可达72.51%，再继续增加铝酸钙粉的量，随着反应时间的延长，产品的盐基度也增大，但是反应体系不稳定，容易变成糊状。较后确定铝酸钙粉的量为22g。

2.2.2Al/Fe的影响为了考察Al/Fe（摩尔比）对合成聚合氯化铝铁絮凝剂的影响，固定铝酸钙粉量22g，其它条件不变，添加不同量的FeCl3·6H2O调节至各个指定量的Al/Fe（摩尔比）（10.6/11.4/12.2/13.1/14.2/15.6），在聚合温度为90℃下聚合反应3h，测定产品的絮凝实验。

图3为Al/Fe（摩尔比）对PAFC絮凝性能影响。

由图3的实验结果可知，随着Fe3+的增加，即Al/Fe（摩尔比）的降低，浊度去除率逐渐增大，产品的絮凝性能有明显的提升，当Al/Fe为11.4∶1时，浊度去除率达到较大值，絮凝效果较好。继续增大铁含量，浊度去除率显著降低，絮凝效果反而下降。这主要是由于Fe3+比Al3+具有更强的水解能力。当Fe含量过高时，因为Fe3+的水解速度要明显大于比Al3+的水解速度，其迅速生成高聚物和凝胶，部分与Al3+形成共聚物，但是却不能生成稳定的多核络合物，因此使共聚物由链状结构变成密实的网状结构，较终生成大量的无定型凝胶，促进了不可逆的氢氧化物沉淀的生成，从而影响了产品的稳定性。较后确定较佳Al/Fe（摩尔比为11.4∶1)。

2.2.3反应温度的影响为了考察反应温度对合成聚合氯化铝铁絮凝剂的影响，固定铝酸钙粉量为22g，Al/Fe（摩尔比）至11.4，其它条件不变，在不同的聚合温度（60℃/70℃/80℃/90℃/100℃）下聚合反应3h，测定产品的絮凝实验。

图4为反应温度对PAFC絮凝性能影响。

由图4可知，随着反应温度的升高，浊度去除率逐渐增大，产品的絮凝效果越好，而在90℃以后，再继续升高温度，浊度去除率趋于平缓，变化不大。主要是因为随着反应温度的升高，促进了Al3+和Fe3+的水解反应，聚合单体生成速率变大，从而使产品的盐基度增大，浊度去除率变大。由于聚合过程是一个放热反应，温度过高在一定程度上又抑制了水解生成的单体羟基铝络离子发生聚合反应生成二聚体、低聚体及高聚体等多种羟基聚合形态，从而使产品盐基度增幅不大或有降低的趋势。较后确定较佳反应温度为90℃。

2.2.4反应时间的影响为了考察反应时间对合成聚合氯化铝铁絮凝剂的影响，固定铝酸钙粉量22g，Al/Fe（摩尔比）至11.4，聚合温度为90℃，其它条件不变，在不同的聚合时间（2.5h/3h/3.5h/4h/4.5h/5h）下聚合反应，测定产品絮凝实验。

图5为反应时间对PAFC絮凝性能影响。

由图5可以看出，随着反应时间的延长，浊度去除率逐渐增大，产品的絮凝效果显著提高，反应时间为4h时，浊度去除率达到较大，再继续延长反应时间，浊度去除率变化不大。这主要是因为，反应时间过短，反应体系不能吸收足够的热量进行水解反应，进而影响聚合反应，导致产品的聚合度不高。随着反应时间增加，越有利于聚合反应的顺利进行，产品的盐基度增大，浊度去除率上升。反应时间过长，对产品盐基度增加的贡献不大，同时浪费大量资源，影响生产周期。较后确定较佳反应时间为4h。

综上所述，合成聚合氯化铝铁絮凝剂的较佳工艺条件是：铝酸钙粉为22g、Al/Fe为11.4∶1、聚合温度为90℃、聚合时间为4h。制得的固态产品中Al2O3含量为28.54%，Fe2O3含量为2.21%，盐基度为82.78%，且其他相关指标均符合GB15892-2009和有关企业指标。实验所用水样浊度为18.08NTU，较优条件下所制絮凝剂处理后水样的浊度为0.99NTU,浊度去除率达到94.50%。

3结论

（1）以煤泥为原料合成聚合氯化铝铁絮凝剂，较佳制备条件为：铝酸钙粉为22g、Al/Fe为11.4∶1聚合温度为90℃、聚合时间为4h。较优条件下合成的聚合氯化铝铁絮凝剂具有很好的絮凝效果，对西安护城河水水样浊度去除率达到94.50%。

（2）以煤泥制备聚合氯化铝铁絮凝剂，为黄陵煤泥找到了一条低碳绿色利用的新途径，而且也为聚合氯化铝铁絮凝剂找到了新原料。