碱性高炉矿渣处理模拟酸性矿井水的试验研究

陈伟华，2，胡久荣，2，黄婷

(1.上饶师范学院 化学与环境科学学院，江西 上饶 334001；2.江西省靶向药物工程技术研究中心，江西 上饶 334001)

碱性高炉矿渣处理模拟酸性矿井水的试验研究

陈伟华1，2，胡久荣1，2，黄婷1

(1.上饶师范学院 化学与环境科学学院，江西 上饶 334001；2.江西省靶向药物工程技术研究中心，江西 上饶 334001)

为研究碱性高炉矿渣处理模拟酸性矿井水的最佳条件，从震荡时间、碱性高炉矿渣的投加量、震荡温度及是否进行超声波作用四方面进行实验。结果表明，在震荡时间为80 min、碱性高炉矿渣投加量为0.4 g、温度为25 ℃且在超声波作用下，COD和TP的去除率达到最高，分别是79.74%和99.89%，pH则从2.01～2.17升至7.45，满足GB 20426-2006的排放要求。

碱性高炉矿渣；酸性矿井水；超声波；净化

煤矿酸性矿井水是由于煤层或者顶、底板中含硫化合物氧化形成H2SO4而使矿井水呈酸性[1]。其pH一般在3.0～4.5之间，甚至可以达到2.0[2]。如此强的酸性不仅会腐蚀管道、水泵及金属设备[3]，而且通过地表径流的渗透作用会污染地表水和地下水[2]，给水生态环境带来巨大的隐患。并且酸性水中含有铁、镉、铅等多种重金属离子[4]，排入地表会加重土壤重金属污染。鉴于酸性水的危害，有必要对其进行改性处理。目前，处理酸性水常用的方法是化学中和法[5]。但中和法中中和剂的投加量不易掌握，高炉矿渣具有疏松多孔、比表面积较大[6]，且具有良好的吸附性能以及絮凝性较好的特点，近年来广泛应用于含磷废水、有机废水的处理[7]，但未应用于酸性水的处理。选择碱性高炉矿渣是因为其中碱性氧化物可以中和酸性水的酸度。故尝试用碱性高炉矿渣处理模拟酸性矿井水，以COD(化学需氧量)和TP(总磷)的去除率、pH为衡量指标，从振荡时间、水渣比、温度、超声波作用四个方面探讨最佳条件，从而为酸性矿井水的治理和以废治废途径提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验仪器与材料

仪器:pHS-3E 系列pH计(上海雷磁公司)；SHA-CA水浴恒温振荡器(江苏盛蓝仪器公司)；HY-7012COD恒温加热器(青岛恒远智能公司)； KQ-500E型超声波清洗器(昆山超声波仪器公司)；DHG-9076A型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏公司)；ES1200型电子天平(上海友衡电子称有限公司)。

化学试剂:氢氧化钠；重铬酸钾；六水合硫酸亚铁铵；浓硫酸；一水合邻菲咯啉；七水合硫酸亚铁；硫酸银；抗坏血酸；钼酸铵；酒石酸锑钾；磷酸二氢钾；(以上试剂均为分析纯)实验用水为二次去离子水。

1.2 实验方法

1.2.1 模拟酸性水的配置及碱性高炉矿渣化学成分

(1) 实验室配置模拟酸性矿井水：FeSO4·7H2O 0.4540 g/L，ZnCl20.0265 g/L，CaCl20.022 g/L，NH4Cl 0.3545 g/L，可溶性淀粉0.195 g/L，KH2PO40.43 g/L，NaH2PO4·2H2O 0.119 g/L。

实验所用试剂均为分析纯，酸性水水质如表1所示。

表1 酸性水各项指标值

(2)碱性高炉矿渣化学成分

碱性高炉矿渣购自新余钢铁厂，其主要成分(质量分数)见表2。

表2 矿渣主要化学成分

1.2.2 实验方法

在一定体积的酸性水中加入一定量的碱性高炉矿渣，于一定温度下振荡一定时间，测定振荡前后的COD、TP和pH，其中采用重铬酸钾法[8]测定酸性矿井水中的COD，钼酸铵分光光度法[9]测定模拟酸性矿井水中的TP以及利用pH计测定pH。COD和TP的去除率(%)计算公式如下所示：

ηCOD=(ρCOD1-ρCOD2)/ρCOD1×100%

(1)

ηTP=(ρTP1-ρTP2)/ρTP1×100%

(2)

(1)式中：ηCOD为酸性矿井水COD的去除率，ρCOD1为酸性矿井水的COD含量mg/L， ρCOD2为处理后酸性矿井水COD的含量mg/L；(2)式中：ηTP为酸性矿井水TP的去除率，ρTP1为酸性矿井水TP的含量mg/L，ρTP2为处理后酸性矿井水TP的含量mg/L。

2 结果与讨论

2.1 震荡时间对模拟酸性矿井水处理的影响

取酸性矿井水50 ml，0.3 g碱性高炉矿渣于锥形瓶中，在25 ℃时恒温震荡，震荡时间分别为20、50、80、110、140、170及200 min，测各个震荡时间前后的COD的含量、TP的含量和pH值，并计算COD的去除率及TP的去除率，结果见图1。

由图1可知，在震荡时间为20～80 min时，碱性高炉矿渣和酸性矿井水充分反应，COD的去除率在增加；在80 min时，COD的去除率达到最高；而80～200 min时，由于碱性高炉矿渣和酸性矿井水的反应在80 min时已经基本完成，如果反应时间过长的话，已经反应了的还原性物质有可能向反方向移动[10]，导致COD的去除率慢慢降低。

在震荡时间为20～110 min时，总磷的去除率不断升高，是因为搅拌可以加速分子的扩散速率，使体系中各组分接触更充分，反应分子间的碰撞机会也相应增加[11]；在110 min时TP去除率达到最高；但震荡时间超过110 min后，吸附反应已经基本达到平衡，吸附作用伴随着解吸作用[12]，因此TP的去除率有所下降。随着震荡时间的延长，pH值持续上升；在震荡时间为80 min时，继续延长震荡时间，pH值上升不大[13]。综合考虑上述因素，取最佳震荡时间为80 min。

图1 不同振荡时间下pH、COD和TP去除率的变化趋势

2.2 碱性高炉矿渣投加量对模拟酸性矿井水处理的影响

取酸性矿井水50ml，震荡时间为80 min，在25 ℃时恒温震荡，碱性高炉矿渣的投加量分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g，测各个碱性高炉矿渣投加前后的COD的含量、TP的含量和pH值，并计算COD的去除率及TP的去除率，结果见图2。

图2 不同矿渣投加量下pH、COD和TP去除率的变化趋势

由图2可知，在碱性高炉矿渣投加量为0.1～0.4 g时，COD的去除率在不断增加；当碱性高炉矿渣投加量为0.4g时，吸附反应达到了平衡，COD的去除率达到最大值；而当碱性高炉矿渣的投加量继续增大时，COD的去除率缓慢降低。原因是碱性高炉矿渣的投加量过少时，吸附反应不够充分，效果不够好；而碱性高炉矿渣的投加量过大时，达到吸附平衡后又发生了解吸作用，COD去除效果变差的原因可能是吸附在钙离子表面的有机物发生解吸造成的[12]。

随着碱性高炉矿渣投加量的不断增加，TP的去除率也在增加，这是因为高炉矿渣的比表面积较大、表面能高，其对阴离子的吸附以化学吸附为主；当高炉矿渣对酸性水中磷酸根的吸附达到动态平衡时，继续加入碱性高炉矿渣会推动反应向正方向发展，从而继续降低酸性水中的磷含量[14]。

随着碱性高炉矿渣投加量的增加，碱性高炉矿渣中的碱性物质CaO、MgO也在不断增加，而酸性水中的氢离子浓度是一定的，故随着碱性高炉矿渣的投加量增加，溶液pH值也在不断的上升，同时出水也因碱性过大而不能达标排放。综合考虑上述因素，取最佳碱性高炉矿渣投加量为0.4 g。

2.3 震荡温度对模拟酸性矿井水处理的影响

取50 ml酸性矿井水，在震荡时间为80 min，碱性高炉矿渣的投加量为0.4 g时，控制震荡温度，分别在5、15、25、35、45 ℃下，测定各温度前后COD的含量、TP的含量和pH值，并且计算COD的去除率及TP的去除率，结果见图3。

图3 不同温度下pH、COD和TP去除率的变化趋势

由图3可知，随着温度的升高，COD的去除率略有增加，但是效果不明显，因此，说明温度对COD的去除率影响不大，所以本实验可在室温下进行[15]。

随着震荡温度的升高，TP的去除率也在增加，这是因为，升高温度可以增加分子的扩散速度，提高分子间碰撞几率。但在常温下，总磷的去除率已经达到很高，因为废液中有充足的钙离子与磷酸根发生沉淀反应[11]。

随着震荡温度的升高，pH值会降低，这是因为水的离解是吸热(焓增)过程，升温有利于水的离解,使H+离子浓度增大,pH值下降[16]。综合考虑上述因素以及经济成本，取最佳温度为25 ℃ 。

2.4 超声波作用对模拟酸性矿井水处理的影响

取50 ml酸性矿井水两组，在震荡时间为80 min，碱性高炉矿渣的投加量为0.4 g时，25 ℃恒温震荡，结束之后，一组放进超声波仪器，超声作用时间为30 min；另一组作对比，不放进超声波仪器，测定两组超声作用前后的COD的含量、TP的含量和pH值，并计算COD的去除率及TP的去除率，将两组结果进行对比，对比结果见表3。

表3 超声波作用对酸性矿井水的影响

由表3可知，在超声波条件下比不在超声波条件下的效果更好，COD 的去除率更高。超声波的原理是利用超声波所产生的“空化效应”提高化学反应的条件[17]。强氧化物可以通过超声波作用后产生，将酸性矿井水中的污染物分解为小分子物质，因此其优点是降解速度快[18-19]。

而在超声波作用下TP的去除率也比不进行超声波作用TP的去除率更高。这是因为，在超声波的“空化”作用能够强化传质过程，还能够增加碱性高炉矿渣的有效传质面积，同时强化了内扩散，使碱性高炉矿渣颗粒内层微孔的活性基团得以利用[19-20]。

但是在超声波作用下的pH有降低，其值为7.45，仍满足GB 20426-2006的排放要求。

3 结论

在震荡时间为80 min、碱性高炉矿渣投加量为0.4 g以及温度为25 ℃且在超声波作用下，COD和TP的去除率达到最高，分别是79.74%和99.89%，pH为7.45,满足GB 20426-2006的排放要求。

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Experimental Study on Treatment of Acid Mine Water with Alkaline Blast Furnace Slag

CHEN Weihua1,2,HU Jiurong1,2,HUANG Ting1

(1.School of Chemistry and Environmental Science,Shangrao Normal University,Shangrao 334001,China; 2. Jiangxi Provincial Research Center of Targeting Pharmaceutical Engineering Technology, Shangrao Normal University,Shangrao 334001,China)

To study the optimum conditions on acid mine water treatment with alkaline slag,we carried out the experiment from four aspects which were the,alkaline blast furnace slag dosage,temperature and ultrasonic effects. The results showed that the removal rate of COD and TP which was 79.74% and 99.89% reached the highest when the conditions met oscillation time80 min,slag dosage 0.4 g,temperature 25 ℃ and ultrasonic effects,and pH was up from 2.01～2.17 to 7.45 that met the emission requirements of GB 20426-2006.

alkaline blast furnace slag;acid mine drainage;ultrasonic;purify

2017-09-04

江西省教育厅科技项目(GJJ161045)；江西省高等学校教学改革研究课题(JXJG-16-16-9);校级大学生创新训练项目(2017-CX-41);校级大学生学术科技研究项目(XS201719)

陈伟华(1980-)，女，讲师，硕士，研究方向为环境污染与治理。E-mail：chenweihua419818@sina.com

X5

A

1004-2237(2017)06-0054-05

10.3969/j.issn.1004-2237.2017.06.013