煤矿矿井废水中的除氟技术研究

2023-02-21孟婷

山西化工 2023年1期

孟婷

（包头市生态环境局综合保障中心土默特右旗中心，内蒙古包头 014100）

引言

煤矿开采中所排放的矿井水通常具有较强的污染性，若是直接进行排放不仅会导致水资源浪费，还会污染周边环境，严重威胁生态安全[1]。氟作为卤素族中最轻，也是反应性最强的元素，若不对其进行处理，将会导致矿井水排放后周边区域地下水化学性质发生改变[2]。因此，为加强矿井水回收再利用，降低矿井水排放对周边环境的污染，必须要对矿井水除氟技术进行研究分析。

1 试验方法

1.1 原水采集与分析

为保障研究的有效性，实际试验中将会直接采用某煤矿矿区的矿井水，具体取水点为矿区污水处理厂进水口区域，原水将采用聚乙烯桶进行存放。将取样后的原水进行沉淀处理后确认，自由沉淀方法对原水中悬浮物去除效果较差，需要采用后续处理方法对其进行有效处理。

1.2 混凝-吸附试验方法

混凝-吸附试验方法是先采用混凝沉淀法，通过在矿井水中加入混凝剂，初步去除矿井水中的悬浮物后，再通过吸附法对处理后的矿井水进行氟离子处理[3]。在混凝处理阶段，混凝剂、助凝剂分别选用PFC、壳聚糖，pH 值以及絮凝时间分别控制在7 和7 min，整个混凝过程不仅可以除去矿井水中的悬浮物，还能够一定程度降低矿井水氟离子浓度，提高试验效果。

吸附试验阶段，分别选用活性氧化铝、沸石、无烟煤、骨炭、羟基磷灰石作为吸附剂，其中活性氧化铝不仅可以发挥吸附作用，还能够同矿井水中的氟离子发生交换作用；骨炭和羟基磷灰石作为含磷物质，其中磷酸钙会与矿井水中的氟离子相结合，由此来实现矿井水中氟离子去除效果。同时两类物质与原煤粉性质较为相似，有利于实现后续原煤粉改性处理，实现矿井水处理的就地取材，降低矿井水处理成本[4]。

2 混凝-吸附试验动力学试验

在通过混凝沉淀法对矿井水原水进行处理以后，通过正交试验法对研究中所提出的各类吸附剂进行正交试验设计，进而根据正交试验结果发现最佳吸附剂为羟基磷灰石、pH 值为4、吸附试验温度为25 ℃、吸附时间为90 min。为进一步验证此结果的有效性，研究中将会丰富对各类吸附剂的矿井水除氟效果进行动力学试验分析，进而获取到图1 和下页图2 中的动力学试验结果。

在动力学模拟试验结果中，模拟结果值越近似于1，说明动力学模拟效果越好[5]。由图1 和图2 可知，羟基磷灰石对矿井水中氟离子的吸附更符合准二级动力学模型，而骨炭和活性氧化铝对矿井水中氟离子的吸附则更符合颗粒内扩散模型。

图1 准一级、二级动力学模拟试验结果

图2 颗粒内扩散模型模拟结果

3 改性原煤粉处理含氟矿井水

通过以上研究可知，原煤粉的物理性质和化学性质可一定程度上发挥矿井水中氟离子去除效果，但由于原煤粉的矿井水吸附效果较差，所以在研究过程中将会采用氧化镁对原煤粉进行改性处理。

3.1 投加量对氟离子吸附效果的影响

取6 个200 mL 混凝沉淀处理后的矿井水样品，将改性原煤粉的添加量分别控制在0.5、1、1.5、2、2.5、3 g，其他参数沿用上文中最佳参数，在振荡反应完成后，通过0.45 μm 微孔滤膜抽滤上清液，测量上清液中氟离子浓度结果如图3 所示。

图3 投加量对氟离子吸附效果的影响

由图3 可知，对于R1材料，随着改性原煤粉投加量的持续增加，吸附剂对矿井水中氟离子的吸附容量也在持续增加，其中当改性原煤粉投加量达到3 g时，吸附剂的吸附容量达到最大值，为0.100 mg/g，对应的氟离子去除率为47.47%；对于R2材料，随着改性原煤粉投加量的持续增加，吸附剂对矿井水中氟离子的吸附容量呈现出先升后降的情况，其中当改性原煤粉投加量达到2 g 时，吸附剂的吸附容量达到最大值，为0.155 mg/g，对应的氟离子去除率为77.85%。相对来说，R2投加量中改性原煤粉投加量为2 g 时的吸附效果最为良好。

3.2 pH 对氟离子吸附效果的影响

除pH 值分别设置为4～10，吸附剂量设置为1.5 g以外，其他参数保持不变，以下将直接说明分析结果。

对于R1材料，随着pH 值的持续增加，吸附剂对矿井水中氟离子的吸附容量在持续下降；对于R2材料，随着pH 值的持续增加，吸附剂对矿井水中氟离子的吸附容量在持续下降，具体趋势与R1保持一致。总体来说，弱酸性（pH 值为5 时）环境更适于实现吸附反应，并且R2材料的吸附能力强于R1材料。

3.3 温度对氟离子吸附效果的影响

pH 值设置为5，吸附剂量设置为1.5 g，温度则设置为15、20、25、30、35 ℃，其他参数保持不变。

对于R1材料，随着温度的持续增加，吸附剂对矿井水中氟离子的吸附容量在持续提升，其中温度15 ℃时吸附容量为0.164 mg/g，对应氟离子去除率为58.85%；对于R2材料，随着温度的持续增加，吸附剂对矿井水中氟离子的吸附容量在持续提升，其中35 ℃时吸附容量为0.164 mg/g，对应氟离子去除率为89.00%，具体趋势与R1保持一致。总体来说，R2材料在35 ℃环境下的吸附效果最为良好。

3.4 吸附时间对氟离子吸附效果的影响

pH 值设置为5，吸附剂量设置为1.5 g，温度设置设置为35 ℃，吸附时间分别设置为15、30、45、60、75、90 min。

对于R1材料，随着吸附时间的持续增加，吸附剂对矿井水中氟离子的吸附容量呈现出先下降后上升态势，其中吸附时间为75 min 时吸附容量为0.41 mg/g；对于R2材料，随着温度的持续增加，吸附剂对矿井水中氟离子的吸附容量在持续提升，其中90 min 时吸附容量0.237 mg/g，对应氟离子去除率为80.54%。总体来说，R2材料在90 min 的反应时间条件下的吸附效果最为良好。

3.5 改性原煤粉吸附动力学分析

如图4 可知，改性原煤粉R1材料对矿井水中氟离子吸附更符合准二级动力学吸附模型，改性原煤粉R2材料对矿井水中氟离子吸附同样符合二级动力学模型，并且结合上文结果可知，改性原煤粉R2材料更适用于矿井水中氟离子吸附处理。

图4 颗粒内扩散模型模拟结果

4 改性原煤粉在矿井水中除氟应用

在获取最佳煤矿矿井水改性原煤粉除氟方法以后，为验证此方法的有效性，还需要将方法应用于工程实践。具体来说就是根据方法制备大规模矿井水除氟改性原煤粉材料，然后将材料应用于矿井水除氟处理过程中。通过长达六个月的应用后发现，由于改性原煤粉材料的主体材料为煤矿生产中所产生的原煤粉，所以可有效降低矿井水除氟处理成本，并且改性处理后的原煤粉具有较强的除氟效果，符合矿井水处理现行标准要求，所以值得进行普及应用。