利用粉煤灰和酸性含铝废水制备聚合氯化铝
2024-05-05
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第30卷第2期 2011年6月 中南民族大学学报(自然科学版) Journal of South-Central University for Nationalities(Nat.Sci.Edition) Vo1.30 No.2 Jun.2011 利用粉煤灰和酸性含铝废水制备聚合氯化铝 杜冬云,李娜,林冲 (中南民族大学环境科学与工程研究所,武 ̄.430074; 中南民族大学化学与材料科学学院催化材料科学湖北省国家民委一教育部共建重点实验室,武汉430074) 摘要为解决聚合氯化铝(PAC)生产过程中铝矾土价格上涨带来的成本增加的问题,提出了一种工业化生产 PAC的方法,・即采用粉煤灰部分代替铝矾土,使用酸溶法提铝,并加入助溶剂NaC1.其最佳工艺条件为:固液比 1:3(质量/体积),盐酸浓度20%,加热酸溶时间3 h,助溶剂NaC1的加入量为固体质量的5%,粉煤灰替代率为 2O%.由此生产所得液体PAC产品的氧化铝含量约9%,pH 3.5~3.9,密度约1.2 g/cm ,盐基度约95%,均符合 国家标准.此法工艺简单,节约生产成本且可实现活性白土生产过程中产生的酸性含铝废水的再利用. 关键词 粉煤灰;聚合氯化铝;酸性含铝废水 中图分类号X789文献标识码A文章编号16724321(2011)02—0010—04 Preparation of Polyaluminium Chloride(PAC)from Fly Ash and Acidic Wastewater Containing Aluminum Du Dongyun,Li Na,Lin Chong (Institute of Environment Engineering and Science,South—Central University for Nationalities,Wuhan 430074,China; Key Laboratory of Catalysis and Material Science of the State Ethnic Affairs Commission&Ministry of Education,Hubei Province,College of Chemistry and Material Science,South—Central University for Nationalities,Wuhan 430074,China) Abstract A new technics for preparing PAC was proposed in this paper in order to meet the challenge of increasing price of bauxite.That is to partly replace the bauxite by fly ash and to aroid its leading by acid solution,while adding NaCI as a cosolvent.The optimum condition iS that the ratio of solid to liquid volum is 1:3.the concentration of HCl is 20%。the reaction time iS 3 h.the concentration of NaCliS 5%。and the proportion of lfy ash iS 20%.The content of aluminum OX. ide in liquid PAC prepared under this condition is about 9%,the pH is varied from 3.5 to 3.9,the density is about 1.2 g/cm .the basicity is about 95%.The characteristics of PAC produced this way are in full compliance with national standards.This new technique both save cost and can be resued for treaetment of acidic wastewater containing aluminum produced in the production of activated clay. Keywords fly ash;polyaluminium chloride(PAC);acidic wastewater containing aluminum 我国燃煤电厂粉煤灰产量巨大且增长迅速,粉 铝资源 .o J.已有许多文献报道利用粉煤灰制备聚 煤灰的大量堆放不仅浪费土地资源而且污染环境, 合氯化铝(PAC)净水剂 ,但均为单一使用粉煤 因而寻求合适的处理或利用粉煤灰的方法十分必 灰进行制备,其氧化铝的浸出率远低于铝矾土中氧 要.目前,粉煤灰的粗利用主要用做建筑材料…、合 化铝的浸出率.随着我国氧化铝矿逐年短缺,PAC 成沸石 ]、制备吸附剂 以及农业方面 J,精利用 的生产成本越来越高,需要寻找一种新的生产PAC 则为从粉煤灰中提铝. 的方法. 粉煤灰中氧化铝含量通常可达20%~35%, 我国有活性白土厂100多家,其制备颗粒白土 最高约50%,可代替铝土矿成为一种很好的氧化 和活性白土的母液中含5%~10%的硫酸和大量 收稿日期2010—10—12 作者简介杜冬云(1963一),男,教授,研究方向:污染控制化学,E—mail:dydu666@yahoo.tom.cn 基金项目湖北省自然科学基金重点项目(2009CDA010);企业委托项目(HZY08005,HZY07023) 第2期 杜冬云,等:利用粉煤灰和酸性含铝废水制备聚合氯化铝 离子鬟 l实验部分 若直接排放,既大量浪费资源又严重影响环 /、皑 、 .境;若进行石灰中和处理后排放,其处理成本为3.5 ~1.1原料 实验所用原料为湖北省黄石市电厂粉煤灰,铝 矾土为工业级.其余所用试剂均为分析纯.粉煤灰的 化学组分见表1. 15.8 t.基于此考虑,将其与盐酸混合制备符 合要求的净水剂,既可解决因废水排放而环境污染 问题,又达到资源回收综合利用目的.由此本文提出 了一种具有上述特点的工业制备PAC的新方法. 表1粉煤灰的化学组分 Tab.1 Chemical composition of ly ash f1.2原理 体积的增加,氧化铝的浸出率也随之增加,但增至一 定程度则开始下降,因为过多的盐酸可与粉煤灰中 的二氧化硅等其它物质发生反应,生成物之间的反 应导致铝的浸出率降低.因此,在确保氧化铝浸出 率的前提下,综合考虑各种因素最终确定固液比 为i:3. 8 由于粉煤灰是经过高温燃烧而产生的,其中约 90%的SiO:及A1:O3呈玻璃态3A1 0 ・SiO:(红柱 石)存在,而非活性AI O,形式存在 .因而至关重 要的一步是如何打开Al—si键,使A1 O 自玻璃体 中释放出来.目前从粉煤灰中提取氧化铝的工艺主 要有酸溶法、碱溶法、石灰石烧结法、微波法 .本 文使用酸溶法提铝,即将一定浓度的盐酸与粉煤灰 在加热条件下混合反应,所得溶液经过滤后加铝酸 钙粉调节制得最终产品.其基本反应为6HC1+ Al203=2A1C13+3H20. 芝8 * 兰 7 该法投资少,能耗低,原料综合利用率高.为提 7 高氧化铝的浸出率,通常于加热时加入氟化物 . 但氟离子会产生二次污染,所以本工艺采用加入氯 化钠作为助溶剂.随着氯离子的加入,反应更利于向 右进行,从而提高氧化铝的浸出率. 1.3 工艺路线 固液比/(g/mL) 图1 固液比对氧化铝浸出率的影响 Fig.1 Effect of ratio of solid quality to liquid volume On the alumina extraction eficifency 2.1.2 盐酸浓度对氧化铝浸出率的影响 用粉煤灰部分代替铝矾土,按照一定的固液比 (固体质量/盐酸体积,g/mL)加入盐酸,加入一定量 的助溶剂,加热密闭反应,边加热边搅拌.反应3 h 后过滤得滤液,加入铝酸钙粉调制液态产品. 固液比为1:3,助溶剂用量为5%,加热搅拌 3 h.滤液中氧化铝的浸出率与盐酸浓度的关系见图 2.由图2可见,盐酸浓度较低时氧化铝的浸出率较 低.由于盐酸浓度低,反应速度慢,在相同的反应时 间里,仅有少量的铝盐发生反应,进入到溶出液;随 着盐酸浓度的升高,反应速度加快,浸出率也随之升 2结果与讨论 2.1焙烧过的粉煤灰 高;当浓度继续升高时,一部分盐酸则挥发掉,因而 浸出率有所下降,最终确定盐酸浓度为20%. 2.1.3 酸浸时间对氧化铝浸出率的影响 将粉煤灰与25%的纯碱于马弗炉中焙烧2 h, 温度控制在800 c【=,用焙烧过的粉煤灰进行实验. 2.1.1 固液比对氧化铝浸出率的影响 固液比为1:3,助溶剂用量为5%,盐酸浓度 为20%.滤液中氧化铝的浸出率与酸浸时间的关系 盐酸浓度为20%,助溶剂NaC1用量为5%,加 热搅拌3 h.滤液中氧化铝浸出率与固液比的关系 见图1.由图1可见,当固液比较小时,氧化铝的浸 见图3.由图3可见,随着酸浸时问的增加,氧化铝 浸出率也随之增加;3 h后,酸浸时间的增加对铝浸 出率的提高不显现,最终确定酸浸时问为3 h. 2.1.4助溶剂用量对氧化铝浸出率的影响 出率较低,其原因为盐酸的量不足以使粉煤灰中活 性铝盐充分反应而降低最终铝的浸出率;随着盐酸 固液比为1:3,盐酸浓度为20%,加热搅拌3 12 中南民族大学学报(自然科学版) 第3O卷 75 65 替 霸66 45 O lO 20 30 40 盐酸浓度/% 图2盐酸浓度对氧化铝浸出率的影响 Fig.2 Effect of concentration of HC1 On the alumina extraction efifciency \ 褂 丑 醛 酸授时I司/h 图3酸浸时间对氧化铝浸出率的影响 Fig.3 Effect of Leaching time on the extraction efficiency of alumina h.滤液中氧化铝浸出率与助溶剂用量的关系见图 4.由图4可见,随着NaC1的用量增多,氧化钠的浸 出率也随之增加.随着氯离子的加入,更有利于反应 向生成物方向进行,从而提高氧化铝浸出率;当用量 过多时,浸出率反而下降,可能因cl一浓度的增加使 得盐酸大量挥发,浸出率下降.综合考虑助溶剂成本 和产品中氯含量,最终确定助溶剂用量为5%. \ {;lL 丑 助洛剂用量/% 图4助溶剂用量对氧化铝浸出率的影响 Fig.4 Effect of Concentration of cosolvent on the alumina extracti0n efficiency 2.2未焙烧的粉煤灰 由图1~4可知,使用焙烧过的粉煤灰,其氧化 铝的浸出率较高,约达82%;使用未焙烧的粉煤 灰,氧化铝的浸出率仅约16%,产品不能达标.由 于焙烧增加成本,不适用于工业应用,采用未焙烧的 粉煤灰部分取代铝矾土制备PAC. 以上述确定的最佳实验条件下,研究不同替代 率对氧化铝浸出率的影响,结果见图5.由图5可 见,当替代率为lO%~2O%时,通过添加与全铝 矾土生产工艺中相同量的铝酸钙粉可使产品中铝含 量达标.而替代率继续增大则使铝含量降低约1%, 尽管通过后续调结可使铝含量达标,但加大了铝酸 钙粉的用量,反使成本增加.最终确定粉煤灰替代 率为20%,由此既可使PAC产品达标,又能节约 成本. 7O 芝5O 磊30 1O 0 lU ZU 3U 40 50 替代率/% 图5不同替代率对氧化铝浸出率的影响 .5 Effect of ratio of replacement on the alumina extraction efifciency 2.3 PAC产品性能实验 由本法生产的液体PAC产品,其氧化铝含量约 10%,pH 3.5~3.9,密度约1.15 g/am ,盐基度约 为90%,符合国家标准(GB15892—2003). 用实验产品净化浊度为263 mg/L的某湖水,将 液体产品配置成浓 为8%的溶液,测定结果见表 2.结果表明,本法制得的PAC对浊度有很高的去 除率,是一种性能优良的净水絮凝剂. 表2净水效果试验结果 Tab.2 Test results of water pufiifcmion 2.4用酸性含铝废水制备聚合氯化铝 实验所用活性白土生产过程中产生的酸性含铝 废水,其酸含量约1.5%,铝含量约0.6%,pH 1.5. 按体积比1:1混合酸性含铝废水与盐酸,所 得混酸的酸浓度约为20%,因此可用酸性废水配置 盐酸混合液.用此混合液制备所得PAC也符合国家 标准,同时可使一次滤液中氧化铝含量增加1.4% ~1.8%,由此既节约成本,又实现废物利用. 2.5制备聚合氯化铝成本分析 以制备1 t氧化铝含量为9%的液体PAC为 例,其经济成本数据分析见表3.由表3可知,采用 含铝酸性废水和粉煤灰后的新工艺合成PAC比实 第2期 杜冬云,等:利用粉煤灰和酸性含铝废水制备聚合氯化铝 13 际工业生产可节省约85元/t.由此可见,用粉煤灰 又节约生产成本,同时还实现了废物再利用. 和酸性含铝废水生产PAC,产品既满足国家标准, 表3 聚合氯化铝生产成本 Tab.3 Cost of preparation of PAC tive study of two methods for the synthesis of fly ash— 3 结语 based sodium and potassium type zeolites[J].Fuel, 2009,88(8):1403—1416. (1)采用粉煤灰与铝矾土复合生产聚合氯化铝 [3] Wang Shaobin.Wu Hongwei.Enviromentla—benign uti— 絮凝剂的最佳工艺条件:粉煤灰与盐酸固液比( lization of lfy ash as low~cost adsorbents『J].Journal of mL)1:3,盐酸浓度20%,加热酸溶时间3 h,助溶 HazardOUS Materials,2006,136(3):482—501. [4] Pandey V C,Abhilash P C,Upadhyay R N,et a1.Ap— 剂NaC1的加入量5%,粉煤灰替代率20%,其产品 plication of lfy ash on the growth performance and translo- 符合国家标准. cation of toxic heavy metals within C ̄anus cajan L:im (2)酸溶后得到的粗料液过滤性能好,既节约 plication for safe utilization of fly ash for agricultural pro- 时间,又节约能源.该法工艺简单,能耗低,在保证产 duction[J].Journal of Hazardous Materials,2009,166 品质量的前提下,最大限度的降低了生产成本,该技 (1):255—259. 术已在工业上应用. [5] 吴萍.从粉煤灰中提取高纯超细氧化铝机理与工艺 (3)用活性白土生产过程中的废酸液配制盐酸 的研究[D].天津:天津大学,2005. 溶液制备PAC,可以使一次滤液中氧化铝含量增加 [6] Fan Maohong,Brown R C,Wheelock T D,et a1.Pro, 1.4%~1.8%,能够节约成本,提高产品质量.此 duction of a complex coagulant from fly ash[J].Chemi— cal Engineering Journal,2005,106(3):269—277. 法为活性白土生产过程中产生的酸性含铝废水提供 了出路. [7] 谢炜平,李红霞.酸溶一微波热解法从粉煤灰中制取 聚合氧化铝的研究[J].环境工程,1999,17(2):50 —51,69. 参考文献 [8] 焦洪军,孔秀琴.粉煤灰制备聚氯化铝(PAC)的研究 [D].兰州:兰州理工大学,2008. Yilmaz A,Degirmenci N.Possibility of using waste tire [9] 赵剑字,田 凯.微波助溶从粉煤灰提取氧化铝新工 rubber and fly ash with Po ̄land cement as construction 艺研究[J].无机盐工业,2005,37(2):47—49. materials[J].Waste Management,2009,29(5):1541 c 10] 赵剑宇,田 凯.氟铵助溶法从粉煤灰提取氧化铝 ~l546. 新工艺的研究[J].无机盐工业,2003,35(4):40— [2] Carlos A,Rios R,Craig D Williams,et a1.A compara一 41.