煤矸石制备新型混凝剂及其应用试验研究

摘要

混凝是人类最早也是最常使用的水质净化方法，近年来，废水排放量随着当今经济的迅速发展呈现出逐年增加的趋势，这意味着对混凝剂的需求逐年增加，混凝剂的生产原料铝矾土等矿物日趋减少甚至枯竭，这不仅提高了混凝剂的成本，也限制了混凝剂的生产，因此寻求混凝剂的新的廉价原料具有重要意义。在我国，煤炭占据能源的主导地位，煤矸石已成为一种排出量和储存量最大的工业废弃物，且煤矸石在放置过程中被风化会产生大量有毒物质及有害气体，对人体、生态都造成极大危害。但煤矸石中Al2O3、Fe2O3含量较高，从中提取氧化铝制备铝、铁产品是煤矸石资源化利用的一个重要途径。研究利用煤矸石制备新型复合混凝剂的工艺方法及其在水处理中的应用对于有效减少煤矸石的堆存量及实现混凝剂的低成本工业化生产具有重要意义。　　钛盐具有无毒、混凝效果好的优点，以钛盐为原材料的钛基混凝剂是目前混凝剂研究的热点。但常见的钛基混凝剂如TiCl4等存在一定的缺陷，钛离子在水中会迅速水解，产生大量H+，使出水pH降低，对金属器械、管道等产生腐蚀。为了提高钛盐混凝剂的性能，各种钛基混凝剂被研制出来，但利用工业固体废弃物煤矸石来进行钛基混凝剂制备的研究报道还鲜有人涉足。　　本课题首先利用煤矸石制备了无机高分子混凝剂，之后参考无机-无机复合混凝剂的制备原则，将钛盐与煤矸石制备的无机高分子混凝剂进行复合，制备了聚合氯化铝铁钙(Calcium aluminum ferric chloride PAFCC)及聚合氯化铝铁钛(Polyaluminum iron titanium PTAFC)，研究了两种混凝剂的混凝反应最佳合成条件、最佳工况及反应机理，最后使用实际水体对两种混凝剂进行了效果验证。主要研究内容如下：　　(1)以煤矸石为原料，经过高温焙烧、酸浸、钛掺杂、聚合、熟化和浓缩干燥等过程，制备了高效无机高分子混凝剂PAFCC、PTAFC；　　(2)系统性地研究了酸浸液固比、酸浓度、酸浸时间、酸浸温度对煤矸石中金属离子铁、铝、钙离子的溶出率的影响，结果表明：铁、铝、钙离子的溶出率最高的条件为液固比7:1、盐酸浓度为8mol·L-1、酸浸温度100℃、反应时间3小时；　　(3)系统性地研究了pH、聚合温度、聚合时间、熟化温度、熟化时间对PAFCC混凝性能的影响以及钛投加量、pH、聚合温度、聚合时间对PTAFC混凝性能的影响。结果表明：PAFCC的最佳制备条件为：酸浸液pH=2，聚合温度60℃，搅拌反应5小时，在40℃下熟化28小时；PTAFC的最佳制备条件为：钛铁摩尔比0.3、pH=1.5、聚合温度60℃、聚合时间3h；PAFCC在投加量110mg·L-1、pH=9、反应温度20℃、慢速搅拌速度40r·min-1，静置10min后混凝效果最佳，浊度去除率达到98%；PTAFC在投加量70mg·L-1、pH=7、反应温度20℃、慢速搅拌速度40r·min-1、静置10min的混凝条件下，浊度去除率达到99%以上，余浊小于1NTU；　　(4)研究了PAFCC和PTAFC对城镇污水处理厂二沉池出水及炼化废水浊度、CODcr、总磷和氨氮的去除效果，同时研究了PAFCC和PTAFC对煤矿矿井水浊度、CODcr、色度的去除效果，并与市购聚合氯化铝(Polyaluminium chloride PAC)进行了对比。PAFCC和PTAFC对城镇污水处理厂二沉池出水和炼化废水的浊度和总磷有极好的去除效果，同时对CODcr和氨氮有一定去除能力，总体而言污染物去除能力去除率PTAFC>PAFCC>PAC，这可能是由于PAFCC中Al(Ⅲ)、Fe(Ⅲ)及Ca(Ⅱ)在处理原水时发生协同增效作用，可以更好地发挥吸附电中和和压缩双电层作用，PTAFC中存在更高价态的Ti(IV)，能使混凝剂电性中和和压缩双电层能力加强，所以PTAFC对水中污染物的去除率更高。　　研究成果对有效减少煤矸石的堆存量、拓宽煤矸石利用渠道，实现混凝剂的低成本、高效率工业化生产和应用具有重要的意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2.1煤矸石及其危害

1.2.2国内外煤矸石利用现状

1.3混凝基本概况

1.3.1混凝技术的研究进展

1.3.2混凝的主要机理

1.3.3影响混凝效果的因素

1.3.4混凝剂制备工艺

1.3.5混凝剂的种类

1.4.1研究目的及意义

1.4.2拟解决的关键性问题

1.4.3本文的研究内容

1.4.4技术路线

1.4.5本文的主要创新点

第2章 实验材料及方法

2.1.1实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.1.3煤矸石原材料成分分析

2.2.1 煤矸石酸浸方法

2.2.2 酸浸液成分检测方法

2.3.1 PAFCC的制备

2.3.2 PTAFC的制备

2.3.3模拟水样的制备

2.3.4实际水样的采集

2.4.1混凝实验

2.4.2水质指标的测定

2.5本章小结

第3章 酸浸取法提取煤矸石中铝、铁、钙离子的研究

3.1.1煤矸石的热活化

3.1.2煤矸石的酸浸取法

3.2.1 液固比的影响

3.2.2 酸浓度的影响

3.2.3 酸浸反应温度的影响

3.2.4 酸浸反应时间的确定

3.3 响应面优化分析

3.3.1 铁离子析出率响应面实验结果与讨论

3.3.2 铝离子析出率响应面实验结果与讨论

3.3.3 钙离子析出率响应面实验结果与讨论

3.4本章小结

第4章 聚合氯化铝铁钙（PAFCC）的制备

4.1 PAFCC的制备方法

4.2.1 pH对PAFCC混凝性能的影响

4.2.2 聚合时间对PAFCC混凝性能的影响

4.2.3 聚合温度对PAFCC混凝性能的影响

4.2.4 熟化时间对PAFCC混凝性能的影响

4.2.5 熟化温度对PAFCC混凝性能的影响

4.3本章小结

第5章 聚合氯化铝铁钛（PTAFC）的制备及表征

5.1 PTAFC的制备方法

5.2.1 钛铁摩尔比对絮凝性能的影响

5.2.2聚合pH对絮凝性能的影响

5.2.3聚合温度对絮凝性能的影响

5.2.4聚合时间对絮凝性能的影响

5.3本章小结

第6章 PAFCC和PTAFC的性能研究及实际应用

6.1 混凝条件

6.1.1投加量对絮凝效果的影响

6.1.2搅拌速度对絮凝效果的影响

6.1.3 沉淀时间对絮凝效果的影响

6.1.4 pH对絮凝效果的影响

6.1.5反应温度对絮凝效果的影响

6.2 实际应用

6.2.1 PAFCC、PTAFC及PAC对二沉池出水的处理效果对比

6.2.2 PAFCC、PTAFC及PAC对炼化废水的处理效果对比

6.2.3 PAFCC、PTAFC及PAC对矿井水的处理效果对比

6.3 经济性分析

6.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文即科研成果