用氯化铁废液制备聚合氯化铁并处理洗煤废水试验研究

孔德顺，王鲁凤，蒋荣立

(1.六盘水师范学院 化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004；2.中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221016；3.贵州省煤炭洁净利用重点实验室，贵州 六盘水 553004)

聚合氯化铁(PFC)是常用的水处理剂，具有产生矾花大、颗粒沉降速度快、安全性好等优点[1]。聚合氯化铁的制备多以FeCl2为原料[2-3]，而FeCl2常以钢铁酸洗废水[4]、铁矿石、铁屑、氧化铁皮、硫铁矿等为原料制备，制备过程中往往需要加入NaClO3[5]、H2O2[6]、HNO3等氧化剂或NaNO2等催化剂[7]，存在工艺复杂且成本较高等缺点[8]。试验采用FeCl3废液为原料，采用水热法制备PFC，省去中间氧化过程，比常用的中和法[9]、凝胶法[10]、加热法[11]等工艺简单，且具有反应条件温和、环保节能等优点。PFC常用于饮用水和工业水处理[12-16]。洗煤厂产生的大量废水需处理后循环使用，但用PFC处理洗煤废水的研究却鲜见报道。试验以高铁煤矸石盐酸浸出液(氯化铁废液)为原料，利用水热合成法制备PFC，并用PFC处理洗煤废水，以期为氯化铁溶液及洗煤废水的处理提供可行方法。

1 试验部分

1.1 试验原料、仪器及试剂

试验原料：氯化铁废液，高岭土，主要污染物为煤泥及细粒黏土矿物的洗煤废水。

试验仪器：ARL9900XP+型X射线荧光光谱仪(XRF)，FTIR-6700型傅立叶变换红外光谱仪，TD2500型X射线多晶衍射仪(XRD)，WGZ-1A型浊度，HH-S2型数显恒温水浴锅，锥形瓶等。

试验试剂：Na2CO3、NaOH、盐酸等，均为分析纯。

1.2 试验方法

1.2.1 聚合氯化铁(PFC)的制备

取一定量氯化铁废液，调整Fe3+浓度及pH，加入到水浴锅中，在40～50 ℃下恒温一定时间，冷却至室温并静置老化1 d，即得液态PFC产物。

1.2.2 PFC去浊性能的测定

洗煤废水800 mL，加入3.0 g高岭土，此为高岭土模拟废水。调节模拟废水pH=7.0，加入1%PFC溶液5.0 mL，先在1 000 r/min条件下搅拌3 min，再在60 r/min条件下搅拌10 min，之后沉降30 min，测定上清液浊度，计算去浊率。试验均在室温下进行。

2 试验结果与讨论

2.1 PFC的制备

表1 PFC的制备及处理模拟废水正交试验因素、水平及结果

表1中，k1、k2、k3分别为对应指标值的平均值。可以看出：影响聚合氯化铁处理模拟废水性能的因素主次为聚合温度>体系pH>Fe3+浓度>聚合时间。聚合温度决定反应速率，对产物聚合度影响最大；适宜的体系pH有利于产物盐基度提高，pH太低不利于产物聚合，太高则容易使体系中铁离子形成沉淀。优化条件为：聚合温度50 ℃，体系pH=1.0，Fe3+浓度0.50 mol/L，聚合时间3.0 h。

2.2 PFC的表征

2.2.1 PFC的物相分析

优化条件下制备的PFC在低温下烘干然后进行物相分析，结果如图1所示。可以看出：PFC的XRD图谱为背底较高的弥散峰，未见三氯化铁衍射峰，说明三氯化铁发生了聚合，所得产物为无定形态。

图1 所制备PFC的XRD图谱

2.2.2 PFC的红外光谱分析

优化条件下制备的PFC干燥后进行IR分析，结果如图2所示。可以看出：在3 362 cm-1处出现与铁离子相连的羟基伸缩振动吸收峰[17]；在1 635 cm-1处出现H2O分子弯曲振动吸收峰；在1 112 cm-1附近出现Fe—OH—Fe伸缩振动吸收峰[18]；751 cm-1附近出现Fe—O—Fe弯曲振动吸收峰；在621 cm-1处有叠加在水分子吸收峰上的Fe—OH弯曲振动吸收峰。这表明样品中存在以羟基桥联的铁聚合物[19-20]，为无机高分子聚合物PFC。

图2 产物的IR图谱

2.3 洗煤废水的处理

2.3.1 体系pH对废水去浊率的影响

5份洗煤废水各加入5 mL 1%PFC溶液，搅拌后沉降30 min，测定上清液浊度并计算去浊率。体系pH对废水去浊率的影响试验结果如图3所示。

图3 体系pH对废水去浊率的影响

由图3看出：随废水pH增大至7.0，去浊率达最大；废水pH >7.0后，去浊率降低。在酸性或碱性条件下，PFC均会发生水解，进而影响去浊效果。综合考虑，确定洗煤废水适宜pH为7.0。

2.3.2 PFC用量对废水去浊率的影响

洗煤废水800 mL，废水pH=7.0，加入不同量1%PFC溶液，搅拌并沉降30 min后，测定上清液浊度并计算去浊率。PFC用量对废水去浊率的影响试验结果如图4所示。可以看出：随PFC用量增加，废水去浊率逐渐提高；PFC用量大于5.0 mL后，废水去浊率趋于稳定。水中污染物颗粒携带同种电荷，加入PFC后，发生电荷中和反应使颗粒凝聚；当PFC用量大于5.0 mL时，电荷中和平衡，去浊率变化不大。综合考虑，确定PFC适宜用量为5.0 mL。

图4 PFC用量对废水去浊率的影响

2.3.3 沉降时间对废水去浊率的影响

洗煤废水800 mL，废水pH=7.0，快速加入1%PFC 5.0 mL，搅拌后沉降，然后测定上清液浊度并计算去浊率。沉降时间对废水去浊率的影响试验结果如图5所示。

图5 沉降时间对废水去浊率的影响

由图5看出：沉降时间越长，废水去浊效果越好；沉降40 min后，去浊率在98%以上。这是由于PFC和污染物小颗粒发生电中和以后，污染物小颗粒因消除了布朗运动而聚集沉降。但考虑到沉降时间过长会导致处理效率降低，综合考虑，确定沉降时间以40 min为宜。

3 结论

用氯化铁废液制备聚合氯化铁混凝剂并用于处理洗煤废水是可行的。在氯化铁废液中Fe3+浓度0.50 mol/L、体系pH=1.0、聚合时间3.0 h、聚合温度50 ℃下可获得絮凝效果较好的PFC混凝剂。在中性条件下，用1%PFC、控制用量5.0 mL处理800 mL洗煤废水、沉降40 min的条件下，洗煤废水去浊率可达98%以上。