改性拜耳法赤泥两段酸溶法制备聚合氯化铝铁研究

孟铁宏，李春荣，刘仕云

（黔南民族医学高等专科学校，贵州都匀558000）

改性拜耳法赤泥两段酸溶法制备聚合氯化铝铁研究

孟铁宏，李春荣，刘仕云

（黔南民族医学高等专科学校，贵州都匀558000）

拜耳法赤泥是拜耳法生产氧化铝所产生的碱性废渣，含有大量未被溶出的铝、铁等金属元素，直接筑坝堆存处理既污染环境又造成资源浪费。以改性拜耳法赤泥为原料，采用两段酸溶法制备高效絮凝剂聚合氯化铝铁（PAFC），并对制备的聚合氯化铝铁进行絮凝性能实验，结果表明絮凝效果良好。该法与传统工艺比较省去了加碱调节盐基度过程，最大程度地利用了盐酸，节约了生产成本。该研究为无机高分子絮凝剂聚合氯化铝铁的制备提供了一套新的工艺流程，为解决拜耳法赤泥筑坝堆存所造成的环境污染和资源浪费问题提供了一条新途径。

改性拜耳法赤泥；两段溶出法；聚合氯化铝铁

拜耳法赤泥是拜耳法生产氧化铝所产生的碱性废渣，当前处理的主要途径是筑坝堆存，不但占用大量土地、污染环境，而且赤泥中大量的铝、铁等资源得不到合理利用，造成资源浪费［1-3］。

聚合氯化铝铁（PAFC）是一种新型高效无机高分子混凝剂，其絮凝性能优良，已成为当前絮凝剂研究的热点［4］。目前聚合氯化铝铁的制备主要是利用煤矸石、铁矿石、电炉灰或高铁钛煤系高岭岩为原料，经粉碎焙烧、盐酸浸取，然后通过加碱调节盐基度制备符合要求的PAFC产品。笔者以改性拜耳法赤泥为原料，采用两段酸溶法，制备出无机高分子絮凝剂聚合氯化铝铁。该工艺与传统工艺相比，不需要加碱调整盐基度，最大程度地利用了盐酸，有效地降低了制备聚合氯化铝铁的成本，具有很好的工业前景。同时，该方法也为解决拜耳法赤泥筑坝堆存所造成的环境污染和资源浪费问题提供了一条新途径。

1 实验部分

1.1 实验原料

1）改性拜耳法赤泥。制备方法：将拜耳法赤泥和石灰石破碎并粉磨到一定细度，按一定比例混匀后制块，在高温下进行烧结改性，制成改性拜耳法赤泥。将改性拜耳法赤泥破碎粉磨至一定细度（粒径大于122μm粒子质量分数≤5％），备用。改性拜耳法赤泥主要组分质量分数见表1。

表1改性拜耳法赤泥组成％

2）工业盐酸。

1.2 两段酸溶法制备PAFC

1）一段酸溶浸取改性拜耳法赤泥中的铝和铁。在常压下，按一定配比将一定浓度的工业盐酸、改性拜耳法赤泥粉加入到带有回流冷却管的反应器中，加热搅拌，在一定温度下反应一定时间，浸出改性拜耳法赤泥中的铝和铁，过滤，滤渣用于提取钛等其他金属，滤液用于制备PAFC。

2）二段酸溶制备PAFC。将一段酸溶滤液恒温至一定温度，快速搅拌，并按照一定速率再次加入一定量改性拜耳法赤泥，进行二段酸溶浸出。随着改性拜耳法赤泥的加入，一段酸溶滤液pH逐渐升高。当体系pH达到3.5～3.8后，停止加入改性拜耳法赤泥，继续恒温搅拌3～4 h，再次过滤，得到深红棕色滤液即为PAFC，蒸发除去水分得到PAFC固体。

1.3 PAFC絮凝性能测试［5］

1）模拟废水。用黏土配制一定量的悬浊液，静置48 h，取上层浊液倒人2 000mL容量瓶得到模拟水样。在6个500mL烧杯中分别加入模拟水样50mL，并加入去离子水稀释到500mL。按照铝铁的含量将自制的PAFC和市售PAFC配制成相同浓度的液体加入模拟水样中，依次在120 r/min转速下搅拌lmin、在60 r/min转速下搅拌7min，然后静置沉降15min。在液面下3 cm处取液，用分光光度法在680 nm处测定其浊度，平行实验3次。

2）生活区污水。取自贵阳花溪区某生活区下水道，外观呈黑色，有恶臭气味。取500mL生活区污水，分别将相同浓度的自制PAFC和市售PAFC加入污水水样中，依次在120 r/min转速下搅拌1min、在60 r/min转速下搅拌7min，然后静置沉降15min。在液面下3 cm处取液，用分光光度法在680 nm处测定其浊度，平行实验3次。

2 结果与讨论

2.1 PAFC的制备工艺参数

2.1.1 一段酸溶盐酸浓度对铝铁溶出率的影响

在酸溶温度为95℃、酸溶时间为1.5 h、盐酸与改性拜耳法赤泥液固体积质量比为3mL/g条件下，改变盐酸浓度进行一段酸溶浸出，考察盐酸浓度对改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3溶出率的影响，实验结果见图1。由图1可知，A12O3和Fe2O3的溶出率随着盐酸浓度的增加而增大，当盐酸浓度达到6mol/L后，改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3的溶出率增加的幅度变缓。考虑到盐酸浓度越高挥发性越大，对生产设备和环境的影响越大，故确定盐酸浓度为6mol/L。

图1 盐酸浓度对铝铁溶出率的影响

2.1.2 一段酸溶液固比对铝铁溶出率的影响

在盐酸浓度为6mol/L、酸溶温度为95℃、酸溶时间为1.5 h的条件下，考察盐酸与改性拜耳法赤泥的体积质量比（简称液固比，mL/g）对改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3溶出率的影响，实验结果见图2。由图2知，改性拜耳法赤泥中氧化铝和全铁的溶出率随着盐酸用量的增加而增大，当液固比超过3mL/g时，改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3的溶出率基本保持不变，而多余的盐酸增加了二段酸溶制备PAFC调节pH的难度。故确定盐酸与改性拜耳法赤泥的液固比为3mL/g。

图2 液固比对铝铁溶出率的影响

2.1.3 一段酸溶温度对铝铁溶出率的影响

在盐酸浓度为6mol/L、盐酸与改性拜耳法赤泥液固比为3mL/g、酸溶时间为1.5 h的条件下，考察酸溶温度对改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3溶出率的影响，实验结果见图3。由图3可知，改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3的溶出率随着溶出温度的增加而增大，当温度超过95℃时溶出率增幅减小。当温度超过95℃时盐酸挥发严重，造成原料浪费，恶化生产环境，增加生产成本；而当温度太低时，改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3的溶出率较低。综合考虑确定酸溶温度为95℃。

图3 酸溶温度对铝铁溶出率的影响

2.1.4 一段酸溶时间对铝铁溶出率的影响

在盐酸浓度为6mol/L、盐酸和改性拜耳法赤泥液固比为3mL/g、酸溶温度为95℃条件下，考察酸溶浸出时间对改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3溶出率的影响，实验结果见图4。由图4可知，A12O3和Fe2O3的溶出率随着酸溶时间的增加而增大，当酸溶时间达到1.5 h时，继续增加酸溶时间对改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3溶出率的影响不大，而且继续增加溶浸时间，体系中生成的硅胶明显增多，导致过滤分离困难。故实验确定浸出时间为1.5 h。

图4 酸溶时间对铝铁溶出率的影响

2.1.5 一段酸溶实验条件的确定

经过单因素实验确定一段酸溶工艺的优化参数：盐酸浓度为6mol/L，盐酸与改性拜耳法赤泥的液固体积质量比为3 mL/g，酸溶温度为95℃，反应时间为1.5 h。在优化条件下，改性拜耳法赤泥中A12O3的溶出率为79.85％，Fe2O3的溶出率为83.48％。

2.1.6 二段酸溶对PAFC盐基度的影响

将一段酸溶滤液在搅拌中调节到设定温度，逐渐加入改性拜耳法赤泥，考察滤液和二段加入的改性拜耳法赤泥的液固体积质量比（mL/g）对PAFC盐基度及二段加入的改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3溶出率的影响，实验结果见图5。

图5 二段酸溶液固比对改性拜耳法赤泥铝、铁溶出率和PAFC盐基度的影响

由图5可知，在二段溶出过程中，PAFC的盐基度随着滤液与改性拜耳法赤泥液固比的减小而增大，当液固比减到3mL/g时盐基度已经达到70％，再继续减小液固比盐基度基本保持不变；二段加入的改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3的溶出率随着液固比的减小而减小，当液固比减到3mL/g以后，改性拜耳法赤泥中A12O3和Fe2O3的溶出率减小幅度变缓。这表明，当液固比小于3mL/g时，滤液中的盐酸已无法有效溶出改性赤泥中A12O3和Fe2O3，如再继续减小液固比，会因为改性拜耳法赤泥中铝、铁无法溶出而造成铝、铁资源的浪费，增加生产成本。综合考虑确定二段酸溶滤液和改性拜耳法赤泥的液固比为3mL/g。

2.2 产品的质量指标和结构表征

2.2.1 自制PAFC质量指标

自制PAFC产品为棕黄色固体，密度＞1.80 g/cm3，pH（1％水溶液）为3.5～5.0，盐基度＞45％，w（Al）＞ 30％，w（Fe3+）＞1.0％，w（Fe2+）＜0.09％。

2.2.2 PAFC红外谱图表征

将自制PAFC产物烘干研磨，采用170SX型傅里叶变换红外光谱仪进行定性测定。用溴化钾作母质压片，扫描范围为400～4 000 cm-1。聚合氯化铝铁红外光谱图见图6。

图6 自制PAFC红外光谱图

由图6可知，吸收峰的波数在3 420～3 435 cm-1处为Al—OH、Fe—OH、H—OH 3种羟基伸缩振动的迭加；吸收峰的波数在1 630～1 645 cm-1处为Al—OH、Fe—OH与配位水H—OH中羟基的作用峰，1 401.99 cm-1处的中等强度的吸收峰为桥键—OH中的O受到不同电负性Fe和Al的不对称吸引产生弯曲振动偶合而分形所致［1］；400～1 150 cm-1处的吸收峰是由Fe—O—Fe、Al—O—Al的伸缩振动产生，吸收峰在975.95、603.70 cm-1等处的弱吸收峰与文献［6］报道的红外光谱图基本一致，表明实验制备的产品为PAFC。

2.3 絮凝性实验结果

对实验制备的PAFC与市售的PAFC进行絮凝性实验，絮凝效果比较见表2。由表2可知，在相同浓度和相同条件下，使用自制PAFC和市售PAFC处理自制模拟废水和生活污水，在浊度去除效果方面性能相当，自制PAFC具有优良的絮凝性能，在污水处理方面具有良好的发展前景。

表2 自制与市售PAFC絮凝效果比较

3 结论

采用拜耳法赤泥改性两段溶出法制备PAFC，与传统工艺相比省去了加碱调节盐基度过程，简化了工艺流程，节约了生产成本，同时，自制PAFC的絮凝性能与市售PAFC性能相当，具有良好的絮凝沉降能力。该法不但可以解决拜耳法赤泥筑坝堆存所造成的环境污染和资源浪费问题，为其综合利用开辟了一条新的途径，同时也为无机高分子絮凝剂PAFC的制备提供了新的原料来源，具有良好的市场前景和社会效益。

［1］胡贺松，彭振斌，陈安.平果铝平南赤泥堆场岩溶地质问题与防治技术［J］.工程地质学报，2009，17（1）：133-137.

［2］孟铁宏，胡兆平，朱云勤，等.拜耳法赤泥改性-凝胶法制备聚合氯化铝铁研究［J］.无机盐工业，2009，41（6）：54-56.

［3］孟铁宏，朱云勤，胡兆平，等.改性拜耳法赤泥制备聚合氯化铝铁的研究［J］.中国给水排水，2009，25（15）：89-92.

［4］Ma Fang，Meng Lu，Pang Changlong，et al.Pilot scale treatment of low turbidity water using compound bioflocculant and polymefized aluminum ferrum chloride［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2009，16（3）：441-444.

［5］孔爱平，王九思，刘剑，等.复合絮凝剂聚合氯化铝铁的制备及其对黄河水的絮凝作用［J］.石油技术与应用，2008，26（6）：574-576.

［6］宁寻安，李凯，李润生，等.聚合氯化铝的红外光谱研究［J］.环境化学，2008，27（2）：263-264.

源化工技术和天然药物化学。

联系方式：mengtiehong19850@163.com

Study on preparation of PAFC from modified Bayer redmud by two stage acid leaching

Meng Tiehong，LiChunrong，Liu Shiyun
（Qiannan MedicalCollege for Nationalities，Duyun 558000，China）

The Bayer redmud is alkaline residue from alumina production by Bayermethod.It contains a lot of aluminum，iron，and othermetal elements which were not leached.It pollutes the environment and wastes resources to deal with dam stockpiling.High efficient flocculantpolymeric aluminum ferric chloride（PAFC）was prepared by two the stage acid leaching method with themodified Bayer redmud as rawmaterials.Flocculation experiment results of PAFC showed that the product had better flocculating effect.Compared with traditional craft the new techniquewhich omitted the processofadding alkali to regulate the basicity，made full use of hydrochloric acid and saved the cost of producing the PAFC.This study of inorganic polymer flocculant PAFC preparation provided a new process to resolve the environmental pollution and resource waste caused by the Bayer redmud dammingup.

modified Bayer redmud；twostageacid leaching；PAFC

TQ138.1；133.1

A

1006-4990（2014）09-0068-04

2014-03-19

孟铁宏（1985—），男，硕士研究生，讲师，研究方向为资

崔化材料