粉煤灰中硅铝铁的强化浸出及聚硅硫酸铝铁絮凝剂的合成

摘要

本文以四川攀枝花钢铁集团公司发电厂粉煤灰为研究对象，系统深入地研究了机械活化法、浓酸熟化法、添加助溶剂法、焙烧活化法、微波助溶法五种措施对活化粉煤灰、强化粉煤灰中硅铝铁浸出的影响，重点研究了焙烧活化法的强化浸出效果和活化机理，确立了焙烧-机械活化的最佳强化浸出技术路线；采用中温碱浸提取硅、铝，常温酸浸提取硅、铝、铁，解决了粉煤灰酸浸液硅酸的稳定性问题，创建了焙烧-机械活化-中温碱浸-常温酸浸-中和共聚的独特工艺技术合成新型高效粉煤灰基聚硅酸硫酸铝铁絮凝剂(poly-aluminum ferric silicate sulfate，简称PAFSS);将其应用于模拟废水、城市生活污水、焦化废水和炼钢废水的处理，取得了满意的效果。该研究具有重要的环保意义和可观的经济价值。
　　 研究结果表明，当不采用强化浸出措施时，用3mol/LH2SO4溶液直接浸出，浸出温度为80℃，浸出时间为3h，矿浆浓度为10％的条件下，硅、铝、铁的浸出率分别为0.18％、10.19％、17.86％。用3mol/LNaOH溶液直接浸出，浸出温度为80℃，浸出时间为3h，矿浆浓度为10％的条件下，硅、铝、铁的浸出率分别为4.59％、4.09％、1.98％。直接酸、碱浸出，粉煤灰中硅、铝、铁的浸出率都较低，浸出液中硅、铝、铁的浓度达不到合成絮凝剂的要求。
　　 采用机械活化强化浸出措施时，在料球比为1:3，行星式球磨机的转速为220rpm，机械活化时间为2.5h的条件下，硅、铝的浸出率分别为0.45％、11.10％,比直接酸浸分别提高了1.5倍、9％。
　　 采用浓酸熟化强化浸出措施时，在H2SO4溶液浓度为8mol/L，熟化时间为4h的条件下，硅、铝、铁的浸出率分别为0.30％、8.17％、12.65％，比直接酸浸分别提高了67％、-20％、-29％，浓酸熟化对提高粉煤灰中硅、铝、铁的浸出率作用不大。
　　 采用添加助溶剂氟化铵强化浸出措施时，在氟化铵／粉煤灰质量比为2.0的条件下，硅、铁浸出率分别为23.77％、36.71％;比直接酸浸分别提高了131倍、1.1倍。加入助溶剂氟化铵对提高粉煤灰中硅、铝、铁的效果很明显，但是氟化铵对仪器以及环境的污染较大。
　　 采用焙烧活化强化浸出措施时，在焙烧混合料中钠盐质量含量为57.5％、粉煤灰质量含量为42.5％，升温速度为10℃/min，焙烧温度为850℃，保温时间为30min的条件下，硅、铝、铁浸出率分别为34.40％、58.09％、45.95％，比直接碱浸分别提高了7.5倍、4.7倍、1.6倍。
　　 采用微波助溶强化浸出措施时，在微波加热温度为80℃，微波保温时间为1h,矿浆浓度为5％的条件下，硅、铝、铁的浸出率分别为0.45％、58.08％、48.85％,比直接酸浸分别提高了1.5倍、4.7倍、1.7倍。
　　 对比各强化浸出措施的效果可知，焙烧活化法、添加助溶剂NH4F法对提高粉煤灰中硅、铝、铁浸出率的效果是最明显的，但是NH4F对环境的污染很大；微波助溶法和机械活化法也有效果，但是不明显；浓酸熟化法基本没有效果。综合考虑工业生产的需要，本研究采用焙烧活化-机械活化的联合强化浸出工艺。
　　 对原料粉煤灰和焙烧后粉煤灰进行XRD、SEM及EDS分析表明，焙烧活化强化浸出机理是：粉煤灰和钠盐混合焙烧破坏了粉煤灰中莫来石的SiO2-Al2O3键，生成活性较高的霞石NaAlSiO4及具有霞石结构的Na1.75Al1.75Si0.25O4、K(Na,K)3AlSiO4和(Na2O)0.33NaAlSiO4，这些物质更易与硫酸和氢氧化钠溶液反应，从而提高粉煤灰中硅、铝、铁的浸出率。
　　 粉煤灰酸性浸出液中的硅酸极不稳定，易胶凝化，本研究通过在25℃常温酸浸的同时添加体积比为3％的P1，解决了酸浸液中硅酸胶凝化的问题，提高了酸浸液中硅酸的稳定性。
　　 在粉煤灰基无机高分子PAFSS絮凝剂的合成实验中，(Al+Fe)/Si摩尔比是影响PAFSS絮凝剂处理效果的主要因素。通过试验研究，确定了合成粉煤灰无机高分子PAFSS絮凝剂的最佳工艺条件为：(Al+Fe)/Si为1.72(酸／碱浸出液体积比为1:2.5)，同化时间为12h。
　　 通过研究确定了粉煤灰基无机高分子PAFSS絮凝剂的合成工艺为：①焙烧阶段：焙烧混合料中钠盐的质量含量为57.5％、粉煤灰的质量含量为42.5％，升温速度为10℃/min，焙烧温度为850℃，保温时间为30min。②机械活化阶段：料球比为1:3，行星式球磨机转速为220rpm，机械活化时间为2.5h。③中温碱浸阶段：氢氧化钠浓度为3mol/L，矿浆浓度为5％，浸出温度为80℃，浸出时间为3h。④常温酸浸阶段：P1投加量为浸出剂总体积的3％，硫酸浓度为3mol/L，矿浆浓度为5％，浸出温度为25℃，浸出时间为3h。⑤中和共聚阶段：(Fe+Al)/Si摩尔比为1.72（酸／碱浸出液体积比为1:2.5），同化时间为12h。
　　 将合成的PAFSS絮凝剂用于模拟废水、城市生活污水、焦化废水和炼钢废水的处理，结果表明，PAFSS絮凝剂的最佳投加量分别为6mL/L、20mL/L、10mL/L、10mL/L。模拟废水处理前的浊度为812NTU，处理后的浊度为11NTU;城市生活污水处理前的浊度为1568NTU、色度为50倍、COD为11980mL/L，处理后的浊度为23NTU、色度为4倍、COD为675mL/L;焦化废水处理前的浊度为36NTU、色度为8倍、COD为156mL/L，处理后的浊度为12NTU、色度为4倍、COD为112mL/L;炼钢废水处理前的浊度为2295NTU、色度为40倍，处理后的浊度为27NTU、色度为1倍。
　　 将合成的PAFSS絮凝剂与市售聚合氯化铝（poly-aluminum chloride，简称PAC）和聚合硫酸铁（poly-ferric sulfate，简称PFS）进行了絮凝效果对比实验，结果表明，絮凝剂投加量均为6mL/L时，模拟废水经PAFSS处理后的浊度为11NTU，经PAC处理后的浊度为154NTU，经PFS处理后的浊度为173NTU;絮凝剂投加量均为20mL/L时，城市生活污水经PAFSS处理后的浊度为23NTU、色度为4倍，经PAC处理后的浊度为64NTU、色度为3.5倍，经PFS处理后的浊度为56NTU、色度为10倍；絮凝剂投加量均为10mL/L时，焦化废水经PAFSS处理后的浊度为12NTU、色度为4倍、COD为112mL/L，经PAC处理后的浊度为25NTU、色度为2.8倍、COD为145mL/L，经PFS处理后的浊度为29NTU、色度为3.8倍、COD为152mL/L;絮凝剂投加量均为10mL/L时，炼钢废水经PAFSS处理后的浊度为27NTU、色度为1倍，经PAC处理后的浊度为43NTU、色度为1倍，经PFS处理后的浊度为47NTU、色度为1倍。在投加量相同的条件下，粉煤灰基PAFSS絮凝剂具有很强的除浊能力，上清液透光率明显好于PAC和PFS;PAFSS絮凝剂形成絮体的速度快，絮体大而密实，沉降速度快，沉降的污泥体积小；使用PAFSS絮凝剂能缩短处理废水的时间，提高系统的处理能力，同时需要量少，可以使成本降到最低。

目录

文摘

英文文摘

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引言

第一章 绪论

1.1 无机高分子絮凝剂及其国内外发展概况

1.2 粉煤灰的基本性质及综合利用概况

1.2.1 粉煤灰的形成

1.2.2 粉煤灰的物理特性

1.2.3 粉煤灰的矿物组成

1.2.4 粉煤灰的化学组成

1.2.5 粉煤灰的综合利用概况

1.3 粉煤灰中硅铝铁的强化浸出研究概况

1.3.1 添加助溶剂强化粉煤灰中硅铝铁的浸出

1.3.2 焙烧强化粉煤灰中硅铝铁的浸出

1.4 湿法冶金中的强化浸出技术研究

1.4.1 微波强化浸出技术

1.4.2 机械活化强化浸出技术

1.4.3 浓酸熟化强化浸出技术

1.5 粉煤灰基无机高分子PAFSS絮凝剂的合成研究

1.6 本研究工作的目的和意义

第二章 实验原料、方法及性能表征

2.1 实验原料

2.2 实验方法

2.2.1 粉煤灰的基本浸出试验

2.2.2 机械活化强化浸出试验

2.2.3 浓酸熟化强化浸出试验

2.2.4 添加助溶剂强化浸出试验

2.2.5 焙烧活化强化浸出试验

2.2.6 微波强化浸出试验

2.2.7 酸性浸出液的稳定性试验

2.2.8 PAFSS絮凝剂的合成试验

2.3 分析测试与性能表征

2.3.1 铝元素含量的测定

2.3.2 硅元素含量的测定

2.3.3 铁元素含量的测定

2.3.4 粒度组成的测定

2.3.5 热重-差热分析

2.3.6 结晶物相的检测

2.3.7 显微形貌的分析

2.3.8 分子结构的分析

2.3.9 水样浊度的测定

2.3.10 水样色度的测定

2.3.11 水样化学需氧量的测定

第三章 粉煤灰中硅铝铁的基本浸出研究

3.1 粉煤灰的耗酸量测试

3.2 粉煤灰中硅铝铁的基本酸浸性能研究

3.2.1 硫酸浓度对粉煤灰中硅铝铁浸出的影响

3.2.2 浸出温度对粉煤灰中硅铝铁浸出的影响

3.2.3 浸出时间对粉煤灰中硅铝铁浸出的影响

3.2.4 矿浆浓度对粉煤灰中硅铝铁浸出的影响

3.3 粉煤灰中硅铝铁的基本碱浸性能研究

第四章 粉煤灰中硅铝铁的强化浸出研究

4.1 机械活化法强化粉煤灰中硅铝铁浸出的研究

4.2 浓酸熟化强化粉煤灰中硅铝铁浸出的研究

4.2.1 硫酸浓度对强化粉煤灰中硅铝铁浸出的影响

4.2.2 熟化时间对强化粉煤灰中硅铝铁浸出的影响

4.2.3 盐酸熟化对强化粉煤灰中硅铝铁浸出的影响

4.3 添加助溶剂强化粉煤灰中硅铝铁浸出的研究

4.4 焙烧活化强化粉煤灰中硅铝铁浸出的研究

4.4.1 焙烧法强化粉煤灰酸浸的研究

4.4.2 焙烧法强化粉煤灰碱浸的研究

4.5 微波强化粉煤灰中硅铝铁浸出的研究

4.5.1 微波保温时间对强化粉煤灰中硅铝铁浸出的影响

4.5.2 微波加热温度对强化粉煤灰中硅铝铁浸出的影响

4.5.3 矿浆浓度对强化粉煤灰中硅铝铁浸出的影响

第五章 粉煤灰焙烧工艺优化及活化机理研究

5.1 焙烧工艺优化研究

5.2 焙烧活化机理研究

第六章 酸性浸出液硅酸的稳定性研究

6.1 Fe3+对酸性浸出液硅酸的稳定效应

6.1.1 Fe/Al摩尔比对酸性浸出液硅酸稳定性的影响

6.1.2 浸出温度对酸性浸出液硅酸稳定性的影响

6.2 阳离子表面活性剂对酸性浸出液硅酸的稳定效应

6.2.1 P1投加量对酸性浸出液硅酸稳定性的影响

6.2.2 浸出温度对酸性浸出液硅酸稳定性的影响

第七章 PAFSS絮凝剂的合成及应用研究

7.1 PAFSS絮凝剂的合成

7.2 PAFSS絮凝剂在模拟废水处理中的应用

7.2.1 PAFSS中(Fe+Al)/Si摩尔比对絮凝效果的影响

7.2.2 PAFSS投加量对絮凝效果的影响

7.2.3 不同絮凝剂的絮凝对比试验

7.3 PAFSS絮凝剂在城市生活污水处理中的应用

7.3.1 PAFSS中(Fe+Al)/Si摩尔比对絮凝效果的影响

7.3.2 PAFSS投加量对絮凝效果的影响

7.3.3 同化时间对絮凝效果的影响

7.3.4 不同絮凝剂的絮凝对比试验

7.4 PAFSS絮凝剂在焦化废水处理中的应用

7.4.1 PAFSS投加量对絮凝效果的影响

7.4.2 不同絮凝剂的絮凝对比试验

7.5 PAFSS絮凝剂在炼钢废水处理中的应用

7.5.1 PAFSS投加量对絮凝效果的影响

7.5.2 不同絮凝剂的絮凝对比试验

7.6 PAFSS絮凝剂特性和主要技术指标

第八章 结论

参考文献

附录 硕士期间发表论文情况:

致谢