新型无机高分子絮凝剂的制备研究

詹志鹏，任佳静，魏 强，侯宏波，黄辅亮

(陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西 汉中 723000)

1 引言

我国是一个煤炭消耗大国。近年来，随着经济的快速发展，资源消耗量也在同步增加。其中，煤炭燃烧后的煤灰不仅会占用大量的土地，而且其中含有的大量有毒有害物质(如重金属)易造成地表水、地下水和大气环境的污染，危害人体健康和破坏生态平衡［1］。因此，必须采取必要的措施，变废为宝，提高能源利用率。本文通过对烧尽的粉煤灰进行一系列的处理，浸取出其中的Al、Fe用于制备无机高分子絮凝剂聚合氯化铝铁，并对制备的絮凝剂的适用范围进行研究，旨在为粉煤灰的综合利用提供参考。

2 材料与方法

2.1 实验材料及仪器

原料为粉煤灰，产自铜川，过60目筛密封备用，经分析，其中所含的元素成分如表1所示。

表1 铜川煤灰的元素分析

主要仪器为Cary－50型紫外－可见分光光度计(美国瓦里安公司)、722－N型分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)、ZR4－6混凝试验搅拌机(深圳市中润水工业技术发展有限公司)、PHS—3C型精密酸度计(上海精密科学仪器有限公司)、电子天平(梅特勒－托利多仪器(上海)有限公司)、MH－1000调温型电热套(北京科伟永兴仪器有限公司)、电热恒温鼓风干燥箱(上海森信实验仪器有限公司)、马弗炉、温度计、冷凝管等。

主要试剂为盐酸溶液(1∶1)、氢氧化钠溶液(0.5mol·L－1)、二苯胺磺酸钠、硫酸铜(5g·L－1)、重铬酸钾(0.02mol·L－1)、酚酞、硫酸溶液(1∶1)、磷酸溶液(15∶85)、硝酸溶液(1∶12)、氨水(1∶1)、乙二胺四乙酸二钠(EDTA)、乙酸、乙酸钠、氟化钾(500 g·L－1)、氯化锌(0.5mol·L－1)、百里酚蓝、二甲酚橙、三氯化钛溶液、钨酸钠等均为分析纯。

2.2 实验方法

2.2.1 粉煤灰的活化

准确称取6.00g粉煤灰置于坩埚中，在马弗炉温度为800℃下，加热2h，即得活化粉煤灰。

2.2.2 液态聚合氯化铝铁的制备

将活化后的粉煤灰置于150mL磨口烧瓶中，加入17mL盐酸(1∶1)、0.5g四氧化三铁、1mL NaClO，加热、搅拌2h后取出。静置熟化24h，过滤，即得液态聚合氯化铝铁絮凝剂，待测。

2.2.3 聚合氯化铝铁的指标检测方法

(1)氧化铝。称取 3.2g液体试样，精确至0.0002g，用蒸馏水溶解，移入100mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀。若稀释液浑浊，用中速滤纸过滤，此试液为A。用移液管移取10.00mL稀释液或干过滤溶液，置于250mL锥形瓶中，加入10mL硝酸溶液，煮沸1min。冷却至室温后加入20.00mL乙二胺四乙酸二钠溶液，加百里酚蓝溶液3～4滴，用氨水溶液中和至试液从红色到黄色，煮沸 2min。冷却后加入10mL乙酸—乙酸钠缓冲溶液和2～4滴二甲酚橙指示溶液，用氯化锌标准滴定溶液滴定至溶液由淡黄色变为微红色即为终点，同时做空白试验，氧化铝含量的计算式如下。

公式中，v0为空白试验消耗的氯化锌标准滴定溶液的体积，mL;v为测定试样消耗的氯化锌标准滴定溶液的体积，mL;c为氯化锌标准滴定溶液的实际浓度，mol·L;m为试料的质量，g;M为氧化铝的摩尔质量的数字，单位为 g·mol－1(M=101.96)。

(2)全铁。准确移取25.00mL试液A，置于锥形瓶中，加入盐酸(1∶1)溶液、硫酸(1∶1)溶液各10mL和钨酸钠指示液1mL。在不断摇动下逐滴加入三氯化钛溶液直至溶液刚好出现蓝色为止。用水冲洗锥形瓶内壁，并稀释至约150mL，加入2滴硫酸铜溶液，充分摇动，待溶液的蓝色消失后，加入磷酸溶液10mL和2滴二苯胺磺酸钠指示液，立即用重铬酸钾标准溶液滴定至紫色(30s不褪色)即为终点。全铁含量的计算式如下。

公式中，W铁为试样中全铁的质量百分含量，%;c为重铬酸钾标准溶液之物质的量浓度，mol·L－1;V为重铬酸钾标准溶液消耗之体积，mL;m为称取试样之质量，g;0.05585为与 1.00mL重铬酸钾标准溶液［C(1/6K2Cr2O7)=1.000mol·L－1］相当的，以克表示的铁的质量。

(3)盐基度。移取25.00mL试液A，置于250mL磨口瓶中，加20mL盐酸标准溶液，接上磨口瓶冷凝管，煮沸回流2min，冷却至室温。转移至聚乙烯杯中，加入20mL氟化钾溶液，摇匀。加入5滴酚酞指示液，立即用氢氧化钠标准滴定溶液滴定至溶液呈现微红色即为终点。同时用不含二氧化碳的蒸馏水作空白试验。盐基度的计算式如(3)式。

允许差:取平行测定结果的算术平均值作为测定结果，平行测定结果的绝对差值不大于2.0%［2］。

3 结果与分析

3.1 聚合氯化铝铁的制备

3.1.1 加热温度对聚合氯化铝铁制备的影响

固定反应时间为 2h，料液比(g·mL－1)为 6∶17，改变加热温度分别为 75℃、80℃、85℃、90℃、95℃，用上述的方法制备絮凝剂，观察不同加热温度对聚合氯化铝铁制备的影响，对其中的指标进行检测，结果如表2所示。

表2 不同加热温度对聚合氯化铝铁制备的影响

通过表2以看出，对于加热温度的变量，温度的升高对铝的溶出率有明显提高，对铁的溶出率则影响不大，主要是因为粉煤灰中的Si－Al键在酸的处理下断裂，溶出Al，而大量的Al溶出，必定消耗较多的H+，使铁的溶出相较于铁的溶出微弱。基于“Al/Fe=9∶1，B=2.0 和 Al/Fe=5∶5，B=1.5 两种参数条件下制备的絮凝剂絮凝效果最好［3］”的絮凝剂最优指标的思想，确定聚合氯化铝铁的最佳反应温度为90℃。

3.1.2 料液比对聚合氯化铝铁制备的影响

固定加热温度为85℃，反应时间为2h，改变料液比分别为 5∶16、6∶16、5∶17、6∶17、7∶17，制备絮凝剂，并观察不同料液比对聚合氯化铝铁制备的影响，对其中的指标进行检测，结果如表3所示。

表3 不同料液比对聚合氯化铝铁制备的影响

通过表3 可以看出，在5∶16、6∶16 两试样中，铝、铁的溶出率随着物料的投加量的增加而增大，但在5∶17、6∶17、7∶17中，铝、铁的溶出率随着物料的投加量的增加而减小。基于絮凝剂最优指标的思想，确定聚合氯化铝铁的最佳料液比为5∶17。

3.2 反应时间对聚合氯化铝铁制备的影响

固定加热温度为85℃，料液比(g·mL－1)为5∶17，改变反应时间分别为 0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、2.5h，制备絮凝剂，并观察不同反应时间对聚合氯化铝铁制备的影响，对其中的指标进行检测，结果如表4所示。

表4 不同反应时间对聚合氯化铝铁制备的影响

通过表4可以看出，在固定其它两个变量为最佳条件的前提下，反应时间的变化对聚合氯化铝铁的盐基度有明显的影响，碱基度越高，表明化合物中的羟基比例越高。Al3+和Fe3+水解形成的聚合物聚合度就越高，其有效成分的电中和能力和粘结架桥能力就越强，故而絮凝性能就越好。但是，碱基度又不宜过高，否则就会使聚合物中的羟基趋于饱和，生成难溶的氢氧化物胶粒，产品难以稳定存在［4］。所以基于絮凝剂最优指标的思想综合考虑，确定出聚合氯化铝铁的最佳反应时间为1.5h。

4 结语

以粉煤灰为原料以盐酸为提取剂，通过上述的实验研究，可以得出制备聚合氯化铝铁的较适宜条件为:反应温度为90℃，料液比为5∶17，反应时间为1.5h。

对于制备的聚合氯化铝铁，不仅要保证有好的铝铁溶出率，同时要注意盐基度的控制，因为碱基度越高，表明化合物中的羟基比例越高，其有效成分的电中和能力和粘结架桥能力就越强，故而絮凝性能就越好。但是，碱基度过高，又会使聚合物中的羟基趋于饱和，生成难溶的氢氧化物胶粒，使产品不稳定，且在反应温度、料液比、反应时间3个变量中，反应时间对盐基度的影响最为强烈，必须谨慎控制。

［1］陈祥荣，王明智.粉煤灰的资源化利用与循环经济［J］.再生资源，2009(11):34～38.

［2］张占梅.聚合氯化铝铁絮凝剂的制备及絮凝性能研究［D］.重庆:重庆大学，2006.

［3］胡勇有，宁寻安.羟基聚合氯化铝铁混凝剂制备参数的确定［J］.水处理技术，2001，27(2):87 ～88.

［4］胡弘鲲.聚合氯化铝铁的制备及其应用研究［D］.成都:四川大学，2002.