以煤矸石为原料制备液体聚合氯化铝(LPAC)混凝剂研究

摘要

煤矸石废料是内蒙古自治区最大的固体污染源，煤矸石资源化一直是科研和工程界的难题。本课题以内蒙古维泰高岭土开发有限责任公司为生产基地，采用煤矸石为原料，经酸溶二步法合成液体聚合氯化铝絮凝剂(LPAC)，通过工艺优化基本解决了长期来认为酸溶二步法生产聚合氯化铝成本高工艺复杂的问题：同时以洗煤厂、火电厂、水务公司为性能试验基地，对于LPAC的效果进行综合评价。
　　 经过两年多的运行和优化，达到了15000T的年生产能力，其工艺为回转窑焙烧，温度750～850℃，保温2h，然后在反应釜内经过高温加压酸溶，反应釜温度为120℃，盐酸浓度控制在14%左右，煤矸石粉：14%的HCl溶液质量比控制在1：2.2左右，保温2h，加入石灰石粉作为盐基度调节剂，将氧化铝浓度和盐基度控制在9%和40～60%之间，冷却至70℃以下后压滤去除固体不溶物质，将滤液进一步加热调理，控制其氧化铝在10%以上，盐基度在60%左右，即可包装进入成品仓库。
　　 通过性能小试，LPAC对于高浊度低透光率的洗煤废水，可以去掉其中的煤泥，达到回用洗煤要求。对于低、中、高浊度的黄河水样浊度去除小试试验中，LPAC对于高浊度黄河水样的浊度去除率可以达到91.5%，剩余浊度由77NTU降至6.55NTU，絮凝处理中等浊度黄河水样浊度去除率可以达到83.6%，剩余浊度由27.25NTU降至4.47NTU，絮凝处理低浊度黄河水样浊度去除率可以达到80%，剩余浊度由5.4NTU降至1.14NTU。LPAC性能明显优于在用的各种固体及酸溶一步法合成的液体PAC产品。
　　 通过生产性性能试验，LPAC对工业废水的絮凝处理浊度去除率可以达到90.6%，LPAC使用量(以Al2O3计)仅为固体PAC使用量的50%时，其剩余浊度由108NTU降至10.2NTU左右，满足服务用水和杂用水回用的要求，有效降低了残余铝对于土壤和地下水的污染。对于浊度为598NTU的高浊度黄河水，LPAC絮凝处理后出水浊度达到3NTU以下。对于低温(0.4～0.8℃)低浊(180NTU)和进水流量变化较大(920～2249t/h)的黄河水，LPAC处理后浊度由180NTU降至10NTU以下且保持出水浊度稳定，确定了LPAC加药量控制在20～40mg/L。
　　 通过X射线衍射对于LPAC进行分析可知，LPAC产品中含有Al13Cl15结构，在水处理中发挥了很大作用，煤矸石焙烧激活机理为：Al2O3·2SiO2·2H2O(高岭石)700℃→Al2O3·2SiO2(偏高岭石)+2H2O3Al2O3·2SiO2(偏高岭石)>800℃→3Al2O3·2SiO2(莫来石)+4SiO2
　　 经过环境影响评价，LPAC的生产和销售符合清洁生产的要求。
　　 经过经济技术分析，LPAC的生产成本为496.99元/吨。LPAC对于黄河水的处理成本为0.0719元/吨，固体PAC处理成本为0.0969元/吨。
　　 以煤矸石为原料，经酸溶二步法生产的LPAC生产成本低，水处理出水效果好，产生了良好的经济效益和社会效益，具有很大的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题提出背景

1.2 铝系混凝剂沿革及研究现状

1.2.1 铝系混凝剂的沿革

1.2.2 混凝剂理论研究现状

1.2.3 混凝工艺和设备研究进展

1.3 煤矸石利用现状

1.3.1 煤矸石的类型及矿物组成

1.3.2 煤矸石的化学组成

1.3.3 煤矸石的锻烧性质

1.3.4 煤矸石的综合利用现状

1.4 研究液体聚合氯化铝的目的意义及主要内容

1.4.1 本课题研究目的意义

1.4.2 本课题研究的主要内容

第二章 LPAC的合成及工艺改进

2.1 传统工艺流程简述

2.1.1 酸溶一步法

2.1.2 凝胶法

2.1.3 氢氧化铝酸溶二步法

2.1.4 电法

2.1.5 以含铝矿石为原料

2.1.6 PAC生产工艺的改进

2.2 本方法合成LPAC工艺

2.2.1 原料及设备

2.2.2 工艺流程

2.2.2 焙烧系统

2.2.3 酸溶系统

2.2.4 盐基度调解系统

2.2.5 压滤系统

2.2.6 浓缩系统

2.2.7 成品化验入库

2.3 工艺改进及优化

2.3.1 工艺改进方法

2.3.2 工艺改进结果及讨论

2.4 本章小结

第三章 LPAC的净水性能现场小试及中试

3.1 现场小试

3.1.1 对于高浓度煤泥废水絮凝处理

3.1.2 对于中等浊度水样现场小试

3.1.3 对于低浊度水样现场小试

3.1.4 混凝剂投加对于水样pH和浊度变化的影响

3.2 现场中试和生产性试验

3.2.1 对于分离式絮凝反应器中试研究

3.2.2 对于一体式净水器絮凝工艺研究

3.2.3 对于水处理构筑物絮凝工艺的中试研究

3.2.4 对于低温低浊水中试效果

3.3 本章小结

第四章 微观形态的表征和机理研究

4.1 LPAC的X射线衍射(XRD)表征

4.2 Al2O3溶出机理研究

4.2.1 不同温度下焙烧的煤矸石粉X射线衍射分析

4.2.2 不同焙烧时间下的煤矸石粉X射线衍射分析

4.3 本章小结

第五章 环境影响及经济技术研究

5.1 环境影响研究

5.1.1 工程概况

5.1.2 主要生产工艺流程及物料平衡

5.1.3 污染源因素分析

5.1.4 环境空气现状监测与评价

5.1.5 环境噪声现状监测与评价

5.1.6 大气环境影响评价与分析

5.1.7 废水的影响分析

5.1.8 固体废弃物影响分析

5.1.9 环境噪声影响预测与评价

5.1.10 污染防治对策

5.1.11 清洁生产分析

5.2 经济技术研究

5.2.1 生产成本分析

5.2.2 制水成本分析

5.3 本章小结

5.3.1 环境影响分析结论

5.3.2 经济技术分析结论

第六章 结论及建议

6.1 结论

6.2 进一步工作的建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表情况