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秸秆灰渣聚硅酸氯化铝铁的制备及应用

2019-03-10冯云生袁江涛

印染助剂 2019年12期
关键词:氯化铝灰渣硅酸

冯云生,尹 玲,袁江涛,佟 白

(齐齐哈尔大学轻工与纺织学院,黑龙江齐齐哈尔 161006)

印染废水具有量大、有机污染物含量高、成分复杂、色度深、水质变化大等特点,特别是印染物功能化的出现,使印染废水毒性增大、可生化性降低、处理难度增大。采用无机高分子絮凝剂处理印染废水是一种效果比较好的方法。

聚硅酸金属盐无机高分子絮凝剂是一类高效水处理剂,是在聚硅酸及传统铝盐、铁盐等絮凝剂的基础上发展起来的复合絮凝剂,同时具有电中和及吸附架桥作用,絮凝效果好,成本低,己成为国内外无机高分子絮凝剂研究的热点。目前,无机高分子絮凝剂以纯的化工产品为原料,成本较高,因此,研究者们在寻找有效利用废弃资源制备无机高分子絮凝剂的途径。生物质发电厂焚烧秸秆后产生大量的秸秆灰渣,这种灰渣没有得到有效的利用,反而形成了新的污染。尽管对其有许多应用研究[1-3],但尚未形成一条有效的应用途径。

本研究对秸秆灰渣进行了化学组成分析,结果表明,经烧结后的灰渣含有大量的金属氧化物。以国能龙江某生物质发电厂的秸秆灰渣为例,主要金属氧化物组成如表1所示。

表1 秸秆灰渣中主要金属氧化物及其质量分数

由表1可知,秸秆灰渣中Al、Fe、Si的质量分数均较高,可以通过特定的工艺将其溶出,制备无机高分子絮凝剂[3-7]用于染整等行业的污水处理,可实现废物资源化,并为无机高分子絮凝剂提供新的资源。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料:秸秆灰渣(国能龙江某生物质发电厂),NaOH(分析纯,广州市金华大化学试剂有限公司),HCl(31%,辛集市嘉泽化工有限公司),聚合氯化铝(PAC,Al2O3质量分数大于等于29%,巩义市龙泰净水填料厂),聚合氯化铝铁(PAFC,Al2O3质量分数大于等于29%,Fe2O3质量分数2%~3%,巩义市滤料工业有限公司),助溶剂(NaOH、Na2O、B2O3混合物)。

仪器:SX2-2.5马弗炉(郑州振平鑫龙机械制造有限公司),721G型紫外分光光度计(上海精密科学仪器有限公司),JJ-1精密电动搅拌器(上海逸龙科技有限公司),SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵(郑州长城仪器有限公司),HH-8恒温水浴锅(常州市亿能实验仪器厂)。

1.2 絮凝剂的制备

将秸秆灰渣与助溶剂混合,放入马弗炉中高温焙烧,用HCl浸泡、过滤得滤液Ⅰ。滤渣用NaOH浸泡、调pH、过滤得滤液Ⅱ。将滤液Ⅰ与Ⅱ混合、沉化,即得无机高分子聚硅酸氯化铝铁絮凝剂(PSAFC)。

氯化铝、氯化铁水解生成氢氧化铝、氢氧化铁,再缩合形成聚合氯化铝铁,反应式如下:

聚硅酸反应式如下:

(其中Na2SiO3以Na2O·3SiO2·xH2O水合物形式存在)

聚硅酸的羟基与聚合氯化铝铁的羟基缩合形成聚硅酸氯化铝铁。

1.3 印染废水絮凝实验

废水:用酸性红GR、活性紫KN-4R、分散红GS、还原蓝RSN分别配制成0.25 g/L的模拟印染废水;另取城市排污废水。

取200 mL废水置于250 mL烧杯中,加入一定量的絮凝剂(以Al2O3有效成分计),调节pH,快速(500 r/min)搅拌2 min,慢速(100 r/min)搅拌3 min,静置30 min,取上清液进行水质分析。

1.4 测试

脱色率:采用紫外分光光度计测定最大吸收波长处的吸光度,再根据下式计算脱色率:

式中,A0为处理前废水的吸光度;A1为处理后废水的吸光度。

COD去除率:取20 mL水样,加入10 mL重铬酸钾,插上回流装置,再加入30 mL硫酸银,加热回流2 h冷却;用90 mL水冲洗冷凝管壁,取下锥形瓶;溶液再度冷却后,加入3滴试亚铁灵指示液,用硫酸亚铁铵标准溶液滴定,溶液由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点,记录硫酸亚铁铵标准溶液的用量。取20 mL重蒸馏水,按同样的操作步骤做空白实验。按下式计算COD去除率:

式中,c为硫酸亚铁铵标准溶液的浓度,mol/L;V0为空白实验所消耗的硫酸亚铁铵标准溶液的体积,mL;V1为试样测定消耗的硫酸亚铁铵标准溶液的体积,mL;V为试样体积,mL。

2 结果与讨论

2.1 PSAFC絮凝效果的影响因素

2.1.1 pH

由图1可知,当pH小于4时,PSAFC的絮凝能力随pH的增大而增强;当pH大于10时,PSAFC的絮凝能力随pH的增大而降低;在pH=4~10时,PSAFC的絮凝效果变化较小,即PSAFC在此pH区间内絮凝效果稳定。由图1还可知,PAC、PAFC的絮凝效果在pH=6~10区间内稳定。由此可见,PSAFC具有较宽的pH适应范围。

图1 pH对活性紫KN-4R脱色率的影响

2.1.2 PSAFC用量

由图2可看出,在PSAFC用量较小时,PSAFC的絮凝效果随用量的增大而明显增强,特别是在10~40 mg/L区间内絮凝能力增强明显;当用量达到60 mg/L后,絮凝能力趋于稳定。因此确定PSAFC的用量为80~100 mg/L。

图2 PSAFC用量对活性紫KN-4R脱色率的影响

2.1.3 染料类型

由图3可知,PSAFC絮凝剂对酸性红GR、活性紫KN-4R、分散红GS、还原蓝RSN模拟印染废水均具有良好的絮凝能力,絮凝效果差别不大;当絮凝剂用量达到100 mg/L时,脱色率均在90%以上。PSAFC对染料废水具有良好的脱色能力。

图3 PSAFC对不同染料的絮凝效果

2.2 PSAFC对城市污水的处理效果

由图4可知,PSAFC对城市污水具有良好的净化能力,随PSAFC用量的增加,对城市污水的絮凝效果和COD去除率均增加;当用量达到100 mg/L时,COD去除率达92%以上;当用量大于100 mg/L时,PSAFC的絮凝能力和COD去除率增速减缓。故PSAFC用量以100 mg/L为好。

图4 PSAFC对城市污水的絮凝效果

2.3 絮凝效果比较

PSAFC与PAFC、PAC对活性紫KN-4R的脱色率比较见图5。

图5 PSAFC与PAFC、PAC对活性紫KN-4R的脱色率比较

由图5可知,随絮凝剂用量的增大,初期PSAFC的絮凝能力增加明显,特别是在10~40 mg/L增加明显;当用量达到60 mg/L后,絮凝能力趋于平稳;在同样的脱色率情况下,PAFC和PAC的用量要达到80 mg/L后絮凝效果才趋于平稳。由此可见,PSAFC对染料废水的净化能力不低于市售PAFC和PAC。

3 结论

(1)生物质发电厂的秸秆灰渣含有大量的Al、Fe、Si等元素,这些元素经过两步法可以制备聚硅酸氯化铝铁(PSAFC)无机高分子絮凝剂。

(2)PSAFC对模拟染料废水具有良好的净化效果,达到或接近市售聚合氯化铝、聚合氯化铝铁的净化效果。当pH为4~10、用量为100 mg/L时,PSAFC对酸性红GR、活性紫KN-4R、分散红GS、还原蓝RSN染料废水的脱色率均达到90%以上;对城市污水的脱色率和COD去除率亦达到92%以上。

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