粉煤灰制备聚硅酸铝铁及其应用研究

张燕华 葛建新

（河源职业技术学院 广东 河源 517000）

随着水处理技术的发展，在饮用水、工业硬水软化、工业废水处理中，高效、价廉、无毒的新型高分子絮凝剂越来越受到重视。 目前，聚硅酸金属盐类絮凝剂作为无机高分子新型水处理剂[1]，其研究已成为热点，得到了迅速发展，聚硅酸铝铁(PSAF)是国内外开发最早的品种之一，具有电中和凝聚、吸附架桥及网捕卷扫作用，广泛应用于污水处理中[2]。

粉煤灰是从火力发电厂烟道气里回收的工业废渣，主要成分是SiO2和Al2O3，含量约占其重量的70%～80%。 然而，在工业运用中粉煤灰利用率不足40%，大部分堆积废弃，这使得粉煤灰的综合利用问题成为当今国内外环境科学的重要研究课题[3-4]。 本文就以粉煤灰为原料制备出无机高分子絮凝剂PSAF，并将其用于废水处理中，不仅可以达到充分利用粉煤灰中矿物成分，实现以废治废，变废为宝的目的，还可产生良好的环境效益和经济效益。

1 实验部分

1.1 原料、试剂与仪器

实验所用的粉煤灰取自广东省某发电厂，其主要成分列于表1。

表1 粉煤灰的主要化学成分

试剂：盐酸、氢氧化钠、浓硫酸、碳酸钠、高锰酸钾等均为分析纯，工业级聚合氯化铝（PAC）

仪器：pHS-3C 型精密pH 计；EU-210 电子分析天平；HJ-3 定时恒温磁力搅拌器；A JJ-4A 型六联电动搅拌机；马弗炉； 筛子；SGZ-400Ⅰ光电浊度仪；721 型可见分光光度计等。

1.2 聚硅酸铝铁的制备

粉煤灰在干燥箱内烘干， 烘干后的粉煤灰研磨过筛，加入11.5g 无机助溶剂NaCO3于10g 粉煤灰中， 搅拌均匀后放入瓷方舟中，在马弗炉(900℃)焙烧一段时间，冷却后，将产物碾碎后放入烧杯中， 加入一定浓度的盐酸， 并恒温加热至90℃， 酸浸1h， 使硅、 铝浸入溶液， 然后过滤得上清夜，用NaOH 调节溶液pH，熟化一段时间，所得产品即是絮凝剂聚硅酸铝铁PSAF。该产品为浅黄色半透明液体，比重1.1～1.25，pH 值0.9～1.4。

1.3 废水水样

在自来水中， 加入经100 目过筛的硅藻土充分搅拌混匀，静置沉降30min，吸取一定量的上层浊度水，再用硫酸调pH 至中性，此废水浊度为40NTU。

1.4 实验测定方法

混凝实验：取水样1L 于烧杯中，将烧杯置于六联电动搅拌机上，向水样中加入一定量的絮凝剂，先快速(250r/min)搅拌1min，再慢速（60r/min）搅拌10min，停止搅拌后静置20～25min， 用吸管取上清液液面下2～3cm 处水样， 进行水质分析。

浊度的测定：用浊度仪测定废水的浊度。

吸光度的测定：用紫外可见分光光度计，测定混凝前后废水的吸光度，根据下式计算溶液的脱色率：

脱色率=（1-A/A0）×100%

式中，A0为废水混凝前测定的吸光度，A 为混凝沉淀后的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 正交实验表

按照上述制备方法制备PSAF 絮凝剂， 由于其絮凝性能主要受焙烧时间、酸浸时间、pH 值和熟化时间影响，故本次实验主要考虑上述四个因素，每个因素有三个水平，设计正交实验确定最佳制备条件。 实验正交表见表2。

2.2 实验结果分析

根据上述所设计的9 组正交实验，往每组实验中投入等量的PSAF 絮凝剂，进行了混凝实验，测定其浊度去除率，实验结果见表3。

表2 L9(34)正交实验因素水平表

表3 混凝实验结果

在混凝过程中，投加絮凝剂PSAF 于废水后，形成矾花速度快，矾花大而厚实，沉降性能好。 从表3 的极差R 大小可知， 影响PFASS 絮凝剂的絮凝性能主次顺序为酸的浓度、焙烧时间、pH 值、熟化时间。 从实验结果可知各因素较佳的水平条件分别为： 盐酸的浓度30%、 焙烧时间60min、pH 值为1、熟化时间24h。

为了进一步验证正交实验的合成PSAF 最佳制备条件，将在最佳制备条件制成的PFASS 按照上述实验方法进行混凝实验，其形成的矾花速度快且更大，沉降性能好，浊度去除率达到98.1%。

2.3 PSAF 絮凝剂的应用研究

（1）PSAF 絮凝机理

PSAF 絮凝剂中含有聚硅酸大分子， 聚硅酸依靠表面羟基的氢键作用可以吸附许多其他分子，随着硅酸聚合，分子量不断增大和并联成网状，吸附架桥能力增强，聚合度增大，具有较强的吸附架桥和网捕能力，能使难溶化合物及细小的颗粒从水中分离出来[5]。

PSAF 絮凝剂中含有大量的Fe3+、Al3+，在水中会发生逐级水解反应， 同时水解产物之间还会发生羟基桥联聚合反应，生成高电荷络离子，如Fe2(OH)24+、Fe4O(OH)46+、A12(OH)42＋、Al3(OH)54+等。 这些高电荷络离子的吸附电中和作用较强，能降低水中胶体杂质的电位，胶体杂质失稳而凝聚，同时形成聚合物也具有吸附架桥能力。

因此，在处理废水时，PSAF 絮凝剂结合了聚硅酸和金属离子的优势，集电中和凝聚、吸附架桥、沉淀网捕于一体[6]。 正是由于这些絮凝机理的共同作用的结果，使得PFASS 具有很好的絮凝沉降性能。

（2）絮凝效果比较

为了进一步探讨PSAF 的絮凝效果， 考察PSAF 对实际废水的絮凝效果。 取广东某印染厂印染废水，其组分以活性染料和分散染料为主，其水质见表4。用稀硫酸调节印染废水pH 值为7 左右，用在最佳制备条件制成的PSAF 絮凝剂对其进行处理，并与聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铁（PFS）絮凝剂处理该废水的结果进行对比，结果见表5。

表4 印染废水水质

表5 不同絮凝剂处理印染废水效果对比

从表5 可知，PSAF、PAC、PFS 对印染废水都具有一定的处理效果， 其中PSAF 的处理效果明显优于PAC、PFC 的效果。 印染废水经PSAF 絮凝剂处理后，COD 去除率达83.8%，浊度去除率达95.2%，脱色率达95.9%。

3 结论

3.1 采用粉煤灰制备高效PSAF 絮凝剂，技术上可行，工艺简单，原料来源广，生产成本低，并可变废为宝。

3.2 制备PSAF 的最佳条件为盐酸的浓度30%、 焙烧时间60min、pH 值为1、熟化时间24h。

3.3 PSAF 对印染废水COD 去除率达83.8%，浊度去除率达95.2%，脱色率达95.9%，综合效果明显优于PAC、PFC。

［1］郭旭颖.粉煤灰絮凝剂聚硅酸铝铁的制备工艺研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2006.

［2］杨代贵，欧恒春，梁玉龙.聚硅酸铝铁（PSAFS）制备方法研究[J].重庆工商大学学报，2005，22(1)：35-39.

［3］张爱勇，肖羽堂，张萌.改性粉煤灰在难降解工业废水处理中的应用[J].工业水处理，2006，26 (11)：7－11.

［4］Fan M ,Robert Cb ,Thomas Dw, et al. Production of Complex Coagulant From Fly Ash [J] . Chem Eng J, 2005,106 ：269－277.

［5］孔德仁.聚合硅酸硫酸铝铁絮凝剂的制备与性能机理研究[D].哈尔滨工业大学，2006：57-59.

［6］张孟存.聚合硅酸硫酸铝铁的研制及其絮凝性能[J].水处理技术，2008，34(9)：61-64.