煤矸石酸浸液制备高铝型聚合硫酸铝铁

杨乐浩，孔德顺，张鲁超

（六盘水师范学院化学与化工系，贵州六盘水 553004）

煤矸石酸浸液制备高铝型聚合硫酸铝铁

杨乐浩，孔德顺*，张鲁超

（六盘水师范学院化学与化工系，贵州六盘水 553004）

用煤矸石酸浸液制备了高铝型聚合硫酸铝铁（PAFS），研究了铁铝物质的量比、pH、聚合时间、聚合温度对PAFS去浊性能的影响，获得了制备PAFS的优化工艺条件：c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6 mol／L、铁铝物质的量比为7∶10、pH为0.9、聚合时间为6 h、聚合温度为80℃、室温熟化24 h。最后对优化工艺条件下的产物进行了物相分析。

煤矸石；酸浸液；聚合硫酸铝铁；水处理

煤矸石是煤炭开采和加工过程中排放的废弃物。我国煤矸石产量约为原煤总产量的15%～20%，积存量已逾70亿t［1］。六盘水矿区每年排放煤矸石达1000万t［2］。本研究采用煤矸石酸浸液制备了一种高铝型聚合硫酸铝铁（PAFS），并优化了制备的工艺条件。

1 实验部分

1.1 原料

六盘水矿区某煤矿煤矸石，其成分如表1所示。

表1 煤矸石化学成分Tab le1 Chem ical composition of coal gangue

1.2 试剂及仪器

硫酸铁、硫酸铝、硫酸、碳酸钠等均为分析纯；硅藻土为化学纯。

TD-2500型X射线多晶衍射仪（XRD），ARL9900XP＋型 X射线荧光光谱仪（XRF），MP3002型电子天平，HH-S2型数显恒温水浴锅，JJ-1A型数显电动搅拌器，WGZ-1A型浊度计，pHS-25型pH计等。

1.3 实验方法

1.3.1 PAFS的制备方法

将煤矸石粉碎至0.0750 mm（200目），在750℃下煅烧2 h后，再在90℃下用30%的硫酸酸浸4 h。酸浸时，液固比为3∶1mg／mL。酸浸后抽滤，得到主要成分为硫酸铝和硫酸铁的混合滤液［3］。设定c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6 mol／L，分别单独改变n（Fe3＋）∶n（Al3＋）、pH、聚合温度、聚合时间进行聚合实验，聚合结束后室温熟化24 h，得到系列PAFS产物。

1.3.2 模拟废水的配制

在搅拌的条件下，向800 mL蒸馏水中加入3 g硅藻土，并调节pH＝7.0。

1.3.3 水的处理方法

向800mL模拟废水中加入质量分数为1% 的PAFS溶液6mL，在转速为600 r／min下搅拌2 min，然后调节转速为200 r／min，搅拌8min，静置30min后取上层溶液测其浊度并计算去浊率，其计算公式如下：

去浊率＝［（原浊-余浊）／原浊］×100%（1）

其中，原浊为处理前模拟废水的初始浊度，余浊为处理后水的浊度。

2 结果与讨论

2.1 铁铝物质的量比对去浊率的影响

设定c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6 mol／L，pH＝1.0，分别改变铁铝物质的量比为0、6∶10、7∶10、8∶10、9∶10，在90℃聚合8 h后室温熟化24 h，得到系列PAFS产物，分别用产物对模拟废水进行除浊实验，结果见图1所示。

图1 铁铝比对去浊率的影响Fig.1 Effect of Fe，A lmolar ratio on the turbidity remove rate

由图1可见，随着铁铝物质的量比的增加，去浊率先升高后降低；在铁铝物质的量比为7∶10时去浊率最高，为98.4%，这是因为铁离子较铝离子容易聚合；随着铁离子所占比例的增大，PAFS整体的聚合度提高，而铁离子量过高会减弱PAFS的电中和能力，从而降低絮凝效果［4］。所以在一定范围内增加铁离子的比例有助于提高产物的去浊率，因此确定反应体系的铁铝物质的量比为7∶10。

2.2 pH对去浊率的影响

设定c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6mol／L，铁铝物质的量比为7：10，分别改变制备体系pH为0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2，在90℃聚合8h后室温熟化24h，得到系列PAFS产物，分别用产物对模拟废水进行除浊实验，结果见图2所示。

由图2可见，随着pH的增大去浊率先升高后降低，在pH＝0.9时去浊率达到最高（98.5%），这是因为在pH较低时，硫酸铁和硫酸铝的水解反应受到抑制，降低了PAFS的聚合度，使产物的去浊率下降；而pH较高时，容易生成沉淀，造成铁铝离子损失，所以确定反应体系pH＝0.9。

图2 pH对去浊率的影响Fig.2 pH influence on the turbidity remove rate

2.3 聚合时间对去浊率的影响

设定c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6mol／L，铁铝物质的量比为7∶10，pH＝0.9，在90℃下分别聚合5h、6h、7h、8h、9h、10h后室温熟化24h，得到系列PAFS产物，分别用产物对模拟废水进行除浊实验，结果见图3所示。

图3 聚合时间对去浊率的影响Fig.3 Effect of polym erization time on the turbidity remove rate

由图3可见，随着聚合时间的增加，去浊率先升高后降低，在聚合时间为6h时最高，去浊率达到98.9%，这是因为聚合时间过短，硫酸铝与硫酸铁不能充分聚合，影响 PAFS的稳定性以及除浊效果［5］，而聚合时间过长，在水温较高的条件下，生成的PAFS会有部分发生解聚反应，使得PAFS的聚合度降低，导致产物去浊率降低［6］，所以确定聚合时间为6h。

2.4 聚合温度对去浊率的影响

设定c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6mol／L，铁铝物质的量比为7∶10，pH＝0.9，分别改变聚合温度为50℃、60℃、70℃、80℃、90℃，聚合6 h后室温熟化24 h，得到系列PAFS产物，分别对模拟废水进行除浊实验，结果见图4所示。由图4可见，在聚合温度为80℃时，PAFS的去浊率最高，为99.0%，这是因为适当提高聚合温度有利于聚合反应的进行，从而提高PAFS的聚合度，但是聚合温度过高易使反应体系产生沉淀，所以确定聚合温度为80℃。

图4 聚合温度对去浊率的影响Fig.4 Effect of tem perature on the turbidity remove rate

3 产物的XRD分析

将在优化条件下制备的液态PAFS产物蒸发至呈粘稠状，冷却凝固后研磨至粉状，再用X射线多晶衍射仪对其进行物相分析，结果见图5所示。

由图5可见，硫酸铁的衍射峰消失，主要为硫酸铝及其水合物的衍射峰，强度较低。可见，硫酸铁聚合较为完全，硫酸铝部分聚合，这表明硫酸铁较硫酸铝更容易聚合，所得产物为PAFS。

4 结论

1）煤矸石酸浸液制备PAFS的优化工艺条件为：c（Al3＋＋Fe3＋）＝0.6mol／L、铁铝物质的量比为0.7、pH为0.9、聚合时间为6 h、聚合温度为80℃，室温熟化24 h。

2）制备体系中的硫酸铁全部聚合，硫酸铝大部分聚合。

图5 产物的XRD谱图Fig.5 XRD spectra of products

［1］ 曹建军，刘永娟，郭广礼.煤矸石的综合利用现状［J］.环境污染治理技术与设备，2004，5（1）：19 -22.

［2］ 孔德顺，李志，李琳，等.六盘水矿区煤矸石理化性质及资源化利用分析［J］.煤炭工程，2013，45（7）：99-101.

［3］ 孔德顺，王茜，宋说讲.煤矸石提取铝铁元素制备PAFS的实验研究［J］.中国陶瓷，2014，50（5）：60 -62.

［4］ 王炳建，高宝玉，岳钦艳，等.新型无机高分子复合絮凝剂聚合硅酸铝铁絮凝效果研究［J］.山东大学学报：理学版，2003（12）：111-115.

［5］ 郑怀礼，陈文源，张智，等.无机高分子复合混凝剂聚合硫酸铝铁的制备与应用［J］.重庆大学学报，2013，36（7）：114-12.

［6］ 王茜，孔德顺.煤矸石酸浸液制取聚硫酸铝铁的试验研究［J］.湿法冶金，2014，33（4）：297-300.Preparation Alum inous Type Polymerization Ferric Sulphate from Gangue Acid Infusion

YANG Le-hao，KONG De-shun*，ZHANG Lu-chao

（Department of Chemistry and Chemical Liupanshui normal College，Liupanshui553004，China）

The preparation of polymerization ferric sulfate（PAFS）from high-alumina gangue acid infusion was done，the Fe-Almolar ratio，pH，polymerization time，polymerization effect of temperature on PAFS to cloud performance were studied.Access to the preparation of PAFS optimum conditions were：c （Al3＋＋Fe3＋）＝0.6mol／L，Fe-Almolar ratio of7：10，pH 0.9，the polymerization time6h，the polymerization temperature 80℃，room temperature curing 24h.Finally，product phasewere analyzed under optimized process conditions.

gangue；acid leaching；polymerization ferric sulfate；treatment

O635

A

1004-275X（2015）03-0006-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2015.03.002