PAFC的制备及其对模拟印染废水的处理效果

Posted 2023-01-12 絮凝

篇首语：学习从来无捷径，循序渐进登高峰。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了PAFC的制备及其对模拟印染废水的处理效果相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

将Fe3+引入铝酸钙粉酸溶液的反应体系中，采用酸溶一步法制备无机高分子絮凝剂聚合氯化铝铁(PAFC).探讨了PAFC制备的原料配比、投加量及反应时间等影响因素.当原料FeCl3.6H2O、铝酸钙粉和盐酸以300mg、5g及18mL的对应比例配制，100℃水浴下反应120min制得产物，其Al2O3含量为10.6%，Fe2O3含量为0.92%，碱基度为70.8%.用于模拟印染废水的处理，投加量为250mg/L时，对废水的COD、色度、浊度的去除率分别达到75.7%、91.7%和95.8%.
近年来无机高分子絮凝剂在废水处理中得到了广泛的应用，较常见的有聚合铝和聚合铁两大类但聚合铝盐絮凝剂对低温、低浊水处理效果较差，且残余铝具有一定毒性，使其应用受到一定的限制而聚合铁盐絮凝剂则由于残留Fe3+给水体色度带来一定影响，且铁盐在使用过程中会对设备造成腐蚀，此外铁盐的产品储存和稀释稳定性差，易于失稳产生Fe(OH)3沉淀.为达到较理想的处理效果人们将絮凝剂的研究重点转移到铝铁的共聚物上，如聚合硅酸铝铁(PAFSS)、聚合硫酸铝铁(PAFS)、聚合硫酸铁铝硅(PFASS)、聚合氯化铝铁(PAFC)等.铝铁共聚复合絮凝剂是依据协同增效的原理将铝盐和铁盐复合制得的新型高效絮凝剂聚硅酸金属盐类和聚硫酸金属盐类的制备、生产所用原料多是固体废弃物煤矸石、粉煤灰和硫铁矿渣等，成分复杂，需经过预处理，制备方法繁琐，且来源受地域限制.本文探索用铝酸钙粉和六水合氯化铁为原料采用酸溶一步法制备PAFC絮凝剂，并探讨产品对模拟印染废水的处理效果.
1.实验部分
1.1 仪器与试剂
MY300-6A混凝实验搅拌仪、AL32型COD测定仪、pHS-3C型酸度计、WGZ-200型散射式浊度仪、HI93727色度浓度比色计、HJ-6型多头磁力加热搅拌器、铝酸钙粉(A12O3含量53～55%)、盐酸(AR)、六水合氯化铁(AR).
1.2 聚合氯化铝铁的制备
1.2.1 PAFC的制备原理
FeC13.6H2O和铝酸钙粉中的活性Al2O3在盐酸作用下溶出AlC13、FeCl3及FeCl2，加入NaClO氧化剂将FeCl2氧化为FeCl3，Al3+和Fe3+在酸性环境中发生水解反应，同时以铝酸钙粉中的CaO作为碱化剂，使AlCl3和FeCl3发生聚合反应，最终生成多聚体絮凝剂产物.
1.2.2 PAFC的制备
将一定量FeCl3.6H2O投加到一定浓度铝酸钙粉和1∶1盐酸(g：mL)的反应溶液中，在100℃水浴搅拌下进行溶出、水解和聚合反应120min，生成产品，熟化24h.测定产品的Al2O3含量，Fe2O3含量和碱基度.
1.2.3 净水效果实验
在市售牛仔布清洗水中加入适量硅藻土浊液，1mL/L的蓝黑墨水溶液及少量面汤作为模拟印染废水.在相同条件下以自制PAFC和市售聚合氯化铝(PAC)对模拟印染废水做净水效果的对比实验.废水水质指标见表1.

2 结果与讨论
2.1 PAFC的制备
2.1.1 最佳原料配比的选择
在不同原料(铝酸钙粉和1∶1盐酸)配比的反应体系中加入300mgFeCl3.6H2O，热水浴搅拌120min，制得一系列PAFC.结果见表2.

实验中发现，1、4、7号产品在熟化后出现明显沉淀，尤其是7号产品最后成为糊状物.其他产品未出现此现象且长期保存也很稳定.从产品碱基度指标可看出，1、4、7这几个产品的碱基度都接近100%，而其他几个产品的却在90%以下.因此，本文确定原料与盐酸的最佳配比是5g原料与18mL1∶1盐酸.
2.1.2 最佳氯化铁加入量的选择
在最佳原料配比条件下，向反应体系中加入不同量的FeCl3.6H2O，制得一系列含Fe量不同的PAFC.将所得产品进行絮凝实验.实验结果见图1由图可知，Fe3+对产品的絮凝性能有明显的提升，在5g铝酸钙粉和18mL1∶1盐酸反应液中FeCl3.6H2O的最佳加入量为300mg.

2.1.3 最佳反应时间的选择
根据前述最佳条件，在不同反应时间下制备PAFC，将所得系列产品做絮凝实验.结果见图2.由图可知，反应时间在120～150min范围内产品的絮凝性能最佳.反应时间为60min、90min、120min和150min时四个产品的碱基度依次是62.9%、70.4%、78.1%、82.8%.由此可见，碱基度随反应时间的增加而增加，而絮凝性能随着碱基度的升高而升高，但碱基度过高会使聚合物中的羟基趋于饱和产生沉淀，使产品难以稳定存在.此外，反应时间为60min时，产品中仍含部分未溶解的铝酸钙固体.因此，本文选择反应时间为120min.
最终确定最佳反应条件为5g铝酸钙粉与18mL1∶1的盐酸混合液中，加人300mg的FeCl3.6H20，在100℃水浴下搅拌，反应时间120min，测得产品Al2O3含量为10.6%，Fe2O3含量为0.92%，碱基度为70.8%.

2.2 模拟印染废水絮凝处理结果
2.2.1 投加量
依次在装有500mL模拟印染废水的烧杯中加入不同计量的PAFC溶液，以200r/min搅拌30s，再以80r/min搅拌反应3min，静置10min后取其上清液进行分析(以下实验同).实验结果见图3.综合考虑浊度去除率、色度去除率、絮凝剂形成矾花的大小、沉降速度以及经济效益，本实验确定絮凝剂的最佳用量为150mg.

2.2.2 pH值
将6个500mL模拟印染废水水样pH分别调至2、4、6、8、10、12，固定投加150mg的聚合氯化铝铁，比较净水效果.实验结果见图4.

由图可知，随着体系pH值逐渐增大，产品的絮凝效果增加.当pH值大于6时，其浊度去除率接近90%，pH值为8时去除率最高，随后pH值继续升高，去除率略有下降，但仍在90%左右，表明自制PAFC处理水pH值范围宽.在实验过程中，pH值低于6或高于9时，处理水样仍带有废水水样颜色，而pH值为8时处理水样清澈，对色度去除率高.因此，最终选定最佳pH值为8.
2.2.3 搅拌强度和搅拌时间
调节模拟印染废水pH值至8，在500mL水样中投加150mg的聚合氯化铝铁，设定不同的搅拌速度、时间进行反应，实验结果见图5和图6.

由图5可以看出搅拌强度在25～100r/min絮凝效果最佳，小于这个范围则由于絮凝剂和水样不能充分接触，混和不充分，降低絮凝效果；大于这个范围，尤其是搅拌强度超过100r/min、搅拌时间超过6min后，已被絮凝剂捕集的颗粒将被搅碎，变成不能沉降的颗粒，使得絮凝结果不理想，脱色率急剧下降.搅拌强度在80～100r/min时，色度去除率较高，低于或大于这个范围，脱色率都会急剧下降，由图6可知，搅拌时间在3～5min时，絮凝剂对浓度和色度的去除率较高，综合考虑搅拌强度和搅拌时间对浓度和色度去除率的影响选择最佳搅拌强度在80r/min、搅拌时间为3min.
2.3 自制PAFC与市售絮凝剂的比较
本实验选用自制PAFC和市售PAC做对比实验，其中自制PAFC的Al2O3含量为10.6%，Fe2O3含量为0.92%，碱基度为70.8%；市售PAC的Al2O3含量为13.12%，碱基度为55.1%.
2.3.1 絮凝现象比较
市售PAC与自制APFC絮凝实验结果比较见表3.

2.3.2 不同絮凝剂对浊度、色度、COD的去除效果比较
在絮凝实验条件下，加入不同量的絮凝剂，对自制废水浊度、色度、COD的去除效果如图7所示.由图7可知，达到相同絮凝效果时，自制PAFC用量少，用量范围宽，抗水质波动能力强；市售PAC用量大，沉降慢，沉降物较多，不易处理；达到相同色度去除率时，自制PAFC的用量少于市售PAC；达到最佳的COD去除率时自制PAFC用量少于市售PAC.

3.结论
(1)本文所选原料铝酸钙粉的主要成份是二铝酸钙(CaO.2A12O3)和一铝酸钙(CaO.Al2O3)的混合物，水溶液呈碱性，反应过程中不需额外添加石灰来调整碱基度.常温下铝酸钙粉与无机强酸反应活性很高，氧化铝的溶出率可达90%以上，用它做原料能简化工艺，降低成本，提高产品质量.
(2)通过对铝酸钙粉制备PAFC过程中各影响因素的研究，确定了最佳反应条件：5g铝酸钙粉与18mL1∶1的盐酸混合液中，加人300mg的FeCl3.6H2O，在100℃水浴下搅拌，反应时间120min.产品Al2O3含量为10.6%，Fe2O3含量为0.92%，碱基度为70.8%.
(3)自制PAFC相同条件下与市售PAC相比，达到相同处理效果时，PAFC的投加量少，处理低温水性能好，水处理pH值范围大，形成絮凝体沉降时间短、沉淀较快.当自制PAFC的投加量为250mg/时，对废水的COD、色度、浊度的去除率分别达到75.7%、91.7%和95.8%.