續(xù)麗麗，李巧玲，張文明，劉曉霞，李洪剛，萬(wàn)郁楠，武潤(rùn)平

（中北大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，山西 太原 030051）

粉煤灰也稱(chēng)飛灰，是燃煤電廠(chǎng)和燃煤鍋爐排出的固體廢棄物。我國(guó)每年排放的粉煤灰約1.6億t，其利用率僅為41.7%左右，因而不斷提高粉煤灰的綜合利用率，使其變廢為寶，在節(jié)約土地和環(huán)境保護(hù)方面意義深遠(yuǎn)。近年來(lái)，粉煤灰在廢水治理中的應(yīng)用與研究越來(lái)越多，并取得了一定的成就，形成了以廢治廢的良性循環(huán)[1～2]。眾所周知，鋁鹽絮凝劑的特點(diǎn)是形成的絮體大，有較好的脫色作用，但絮體松散易碎，沉降速度慢；鐵鹽絮凝劑的特點(diǎn)是形成的絮體密實(shí)，沉降速度快，但絮體較小，卷掃作用差，經(jīng)過(guò)處理后水的色度較深[3]，因此結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)制備出的聚硅酸鋁鐵絮凝劑越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

試劑：粉煤灰（取自太原市二電廠(chǎng)），試驗(yàn)用廢水（取自上蘭村生活污水渠），濃鹽酸、無(wú)水碳酸鈉、氯化鐵、氟化鈉均為分析純；蒸餾水為實(shí)驗(yàn)室自制。

儀器：751型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)；ARL型 X射線(xiàn)熒光光譜儀；81-2型恒溫磁力攪拌器； ZKYY-21型油浴鍋；馬弗爐；5B-3 B(H)型COD多元速測(cè)儀，LRH-150型智能生化培養(yǎng)箱。

1.2 粉煤灰成分分析

實(shí)驗(yàn)所用粉煤灰其主要成分見(jiàn)表1（數(shù)據(jù)由太鋼技術(shù)中心檢測(cè)得到），灼燒失重10.04%(TFE為總鐵含量)。

表1 粉煤灰的主要成分

1.3 碳酸鈉為助溶劑制備聚硅酸鋁鐵絮凝劑

將20g粉煤灰裝在蒸發(fā)皿中，置于馬弗爐內(nèi)，以碳酸鈉為助溶劑在溫度880℃下焙燒活化1.5h。在高溫下，粉煤灰中的硅、鋁、鐵與純堿發(fā)生固相反應(yīng)打開(kāi)Al-Si鍵，生成可溶性硅酸鹽和鋁酸鹽，生成復(fù)合固態(tài)焙燒產(chǎn)物(初級(jí)產(chǎn)品)。在初級(jí)產(chǎn)品中加入濃度為30%的鹽酸，在溫度105℃下進(jìn)行酸浸，進(jìn)而將其溶于酸生成活性硅酸、鋁鹽和鐵鹽復(fù)合物，加入微量的氯化鐵，調(diào)pH為1.5左右，靜置1d后，即得到陳化后為橘紅色的聚硅酸鋁鐵絮凝劑液體[3]。此法采用一步酸浸的工藝，簡(jiǎn)單易行。實(shí)驗(yàn)原理如下：

（1）在粉煤灰中加入一定量的純堿，在適當(dāng)溫度下焙燒，發(fā)生下列反應(yīng)：

粉煤灰中的Si和Al在高溫焙燒后轉(zhuǎn)化成Na2SiO3和 NaAlO2。

（2）用鹽酸將焙燒產(chǎn)物酸浸，可發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

Na2SiO3和鹽酸反應(yīng)，生成 H4SiO4，NaAlO2和鹽酸反應(yīng)，生成AlCl3。

（3）聚合反應(yīng)

硅酸的聚合主要是通過(guò)硅酸分子和硅酸正離子間羥聯(lián)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這時(shí)的溶膠帶正電，而且是可逆的，在強(qiáng)酸下可保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的溶液狀態(tài)。

用強(qiáng)堿溶解細(xì)灰以打開(kāi)Si-Al鍵，首先將硅溶出，殘?jiān)牡V物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。粉煤灰顆粒內(nèi)部硅氧四面體出現(xiàn)空白，再用強(qiáng)酸浸取，Al2O3即被部分溶出。強(qiáng)堿浸出的硅酸鈉在酸性條件下聚合，可得聚硅酸；酸浸取粉煤灰殘?jiān)玫腁13+、Fe3+混合液在特定條件下按一定比例共聚即得聚鐵鋁硅絮凝劑[5]。

1.4 絮凝試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的廢水來(lái)自上蘭村生活廢水。原樣廢水的濁度為64 NTU，色度為68度， COD值246.34 mg·(L氧 )-1；BOD 值為 357mg·(L氧 )-1。以蒸餾水為基準(zhǔn)，生活廢水的透光率為5%。

取生活廢水250mL，加入自制的聚硅酸鋁鐵絮凝劑，在攪拌速度為100r·min-1時(shí)，攪拌2min，靜置沉淀后，取上清液測(cè)定處理過(guò)的污水各項(xiàng)指標(biāo)。

1.5 分析方法

用滴定分析法測(cè)定鋁鐵離子的浸出率；使用751型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在450nm處測(cè)定廢水透光率；使用LRH-150型智能生化培養(yǎng)箱測(cè)定BOD去除率；使用5B-1型COD快速測(cè)定儀測(cè)定污水的COD值；廢水濁度采用吸收光譜法測(cè)定；色度的測(cè)定用鉑鈷比色法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 助溶劑碳酸鈉對(duì)產(chǎn)品的影響

2.1.1 對(duì)粉煤灰、碳酸鈉焙燒改性后的粉煤灰的XRD對(duì)比分析

對(duì)原料粉煤灰和粉煤灰焙燒產(chǎn)物進(jìn)行X射線(xiàn)衍射分析，XRD圖譜見(jiàn)圖1。從圖1（a）可見(jiàn)，原料粉煤灰的主要物相是莫來(lái)石3Al2O3·2SiO2和石英SiO2，在2θ為16°～30°的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)比較寬大的衍射特征峰，表明有無(wú)定形的硅酸鹽玻璃體存在；由圖1（b）可見(jiàn)，焙燒后生成物的主要結(jié)晶物相為 (Na2O)0.33NaAlSiO4、NaAlSiO4、Na1.75Al1.75Si0.25O4、CaSi2O5，此外還有未完全反應(yīng)的Na2CO3。原料中的莫來(lái)石在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，活性較低，在酸浸過(guò)程中難以浸出，而將粉煤灰和鈉鹽混合焙燒，破壞了莫來(lái)石中的SiO2-Al2O3鍵，生成了活性較高的霞石NaAlSiO4及具有霞石結(jié)構(gòu)的(Na2O)0.33NaAlSiO4、Na1.75Al1.75Si0.25O4，它們是易被酸浸出的結(jié)晶物相，因此可以達(dá)到提高浸出率的目的。

圖1 原料粉煤灰(a)與焙燒后的粉煤灰(b)的XRD譜圖

2.1.2 碳酸鈉對(duì)鋁鐵浸出率的研究

以鋁鐵浸出率為指標(biāo)，用不同摩爾配比的Na2CO3和SiO2量來(lái)研究其對(duì)鋁鐵浸出率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、3及圖2。

表2 Na2CO3助溶劑的配比

表3 滴定結(jié)果

圖2 Na2CO3助溶劑各配比下的粉煤灰中鋁、鐵離子的浸出率變化圖

由圖2可以看出，F(xiàn)e3+浸出率在摩爾配比為0.1時(shí)達(dá)到了最大的61.08%。而Al3+最大浸出率達(dá)到了37.65%。但綜合來(lái)看，在Na2CO3/SiO2的摩爾比為0.5時(shí)助溶效果最佳，此時(shí)Al3+、Fe3+浸出率分別為37.65%與53.20%。這說(shuō)明碳酸鈉對(duì)粉煤灰的助溶效果很好。

2.2 絮凝劑最佳用量的選取

不同劑量的絮凝劑對(duì)產(chǎn)品的絮凝性能有很大的影響，以廢水透光率為指標(biāo)，研究不同劑量的絮凝劑對(duì)生活廢水的處理效果，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同絮凝劑用量對(duì)絮凝上清液透光率的影響

由透光率曲線(xiàn)可以看出，4種絮凝劑用量對(duì)廢水透光率的影響相差不大，但也有區(qū)別，絮凝劑7.5mL的效果最好，10mL最差，絮凝劑用量為7.5mL時(shí)，上清液透光率最高。故當(dāng)絮凝劑用量為7.5mL時(shí)，絮凝劑效果最佳。

2.3 產(chǎn)品對(duì)廢水處理的效果分析2.3.1 BOD的分析

生化需氧量或生化耗氧量(5d化學(xué)需氧量)，表示水中有機(jī)物等需氧污染物質(zhì)含量的一個(gè)綜合指示。加入7.5mL自制的絮凝劑于250mL生活廢水中，對(duì)其進(jìn)行處理，結(jié)果如圖4所示。

圖4 5d內(nèi)的生化需氧量變化曲線(xiàn)

從圖4中5d生化需氧量的變化可知，處理后的廢水BOD值幾乎無(wú)明顯變化，一直穩(wěn)定在80mg·(L氧)-1左右，而未經(jīng)過(guò)處理的廢水的BOD值一直在增加，前2d增加趨勢(shì)十分明顯，而后幾天增勢(shì)趨緩，第4～5d的變化已不是很明顯。根據(jù)規(guī)定BOD5為計(jì)算BOD去除率的數(shù)值，因此原樣廢水、處理后的廢水的BOD值分別為357、84mg·(L氧)-1，由此得出自制聚合硅酸鋁鐵的BOD去除率為76.47%。

2.3.2 COD、色度和濁度的分析

用自制的絮凝劑處理生活廢水，對(duì)其進(jìn)行COD、色度、濁度的測(cè)定，結(jié)果如表4所示。

表4 自制聚硅酸鋁鐵絮凝劑處理廢水的各項(xiàng)結(jié)果

化學(xué)需氧量COD是利用化學(xué)氧化劑將水中可氧化物質(zhì)氧化分解，然后根據(jù)殘留的氧化劑的量計(jì)算出氧的消耗量，是表示水質(zhì)污染度的重要指標(biāo)。由實(shí)驗(yàn)可以得出，自制絮凝劑對(duì)廢水的COD去除率為78.74%。

純水是無(wú)色透明的，當(dāng)水中存在某些物質(zhì)時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出一定的顏色。用鉑鈷比色法測(cè)定色度,得出自制聚合硅酸鋁鐵的色度去除率為82.79%，較之文獻(xiàn)提供的90%左右的去除率，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品還有些差距。

濁度是表現(xiàn)水中懸浮物對(duì)光線(xiàn)透過(guò)時(shí)所發(fā)生的阻礙程度。濁度的測(cè)定用吸收光譜法，實(shí)驗(yàn)可得出，自制絮凝劑處理生活廢水的濁度去除率為70.31%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為理想。

3 結(jié)論

（1）以粉煤灰為原料，碳酸鈉為助溶劑，在一定條件下制備出聚硅酸鋁鐵絮凝劑，并對(duì)粉煤灰焙燒前后進(jìn)行X射線(xiàn)衍射分析，從而對(duì)粉煤灰中鋁鐵的浸出可能性進(jìn)行了驗(yàn)證。

（2）對(duì)聚硅酸鋁鐵絮凝劑的加入量進(jìn)行了研究，確定了絮凝劑的最佳加入量為30mL·L-1,并將其用于生活廢水水樣的處理，其對(duì)生活廢水的BOD、COD、色度、濁度的去除率分別為76.47%、78.74%、82.79%、70.31%。

[1] 馬同森，樊忠昌.納米聚硅酸鋁鐵絮凝劑的制備和性能[J].化學(xué)研究，2007，18(2)：24-27.

[2] 趙會(huì)明，羅固源.聚硅酸硫酸鋁鐵(PSAFS)除磷研究[J].水處理技術(shù)，2006，32(11)：41-44.

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