用膨润土制备造纸废水处理用混凝剂的研究

Posted 2023-01-13 膨润土

篇首语：不塞不流，不止不行。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了用膨润土制备造纸废水处理用混凝剂的研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

膨润土的矿物成分主要是蒙脱石，其化学组成为0.5(Ca，Na)0.66(Al，Mg，Fe)4(SiAl)8O2(OH)4H2O，它是由两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体形成2∶1层间网状形的晶体结构，具有较大的表面积(600～800m2/g)和较强的阳离子交换能力；根据层间可交换阳离子的不同，分为Na基、Ca基、Mg基和Al基膨润土，尽管它们性能有差异，但经过净化处理和阳离子交换改性，便可提高不同类型膨润土的吸附性、膨胀性、分散性和脱色性。笔者采用Ca基膨润土为原料，经活化和改性处理，研制出一种既能絮凝固体粒子又能脱色的高效混凝剂，经应用于造纸工业黑液废水处理实践，取得了良好效果。
1试验部分
1.1试验用材料膨润土：Ca基，河北邯邢地区第三系膨润土矿点产，其化学成分(%)为：SiO261 5，Al2O318 23，Fe2O37 07，CaO1 54，MgO1 86，Na2O1 58，K2O1 12；其主要性能指标为：蒙脱石58 61%，碱性系数<1，pH值8 3，吸蓝量69 32g/100g，膨胀倍数7 26mL/g，胶质价46 5mL/15g。活化剂：由工业级硫酸(93%)和盐酸(30%)配制成混合酸，其配比为1∶2。改性剂：由工业级氟化钠和碳酸钠配制而成，其配比为1∶10。造纸黑液废水：取自石家庄某造纸厂，黑液组成及性质见表1。
1.2试验用主要仪器四口烧瓶(1000mL)，DPY_Ⅱ型玻璃恒温水浴，D-8401型搅拌器，差热分析仪，PHS-29A型酸度计，751G型分光光度计。

膨润土的矿物成分主要是蒙脱石，其化学组成为0.5(Ca，Na)0.66(Al，Mg，Fe)4(SiAl)8O2(OH)4H2O，它是由两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体形成2∶1层间网状形的晶体结构，具有较大的表面积(600～800m2/g)和较强的阳离子交换能力；根据层间可交换阳离子的不同，分为Na基、Ca基、Mg基和Al基膨润土，尽管它们性能有差异，但经过净化处理和阳离子交换改性，便可提高不同类型膨润土的吸附性、膨胀性、分散性和脱色性。笔者采用Ca基膨润土为原料，经活化和改性处理，研制出一种既能絮凝固体粒子又能脱色的高效混凝剂，经应用于造纸工业黑液废水处理实践，取得了良好效果。
1 6试验方案确定在进行大量探索性试验的基础上，认为值得进一步深化试验和研究。因此，根据探索性试验摸索出来的初步数据，确定影响较小的因素为固定因素，即每次试验加料量100g膨润土，调浆时水∶膨润土=4∶1；以活化剂和改性剂用量、改性温度、改性时间为可变因素，每个因素选择三个水平。试验确定了三个目标因素，第一个是产品外观，即样品应该具备分散均一性好、可流动性，不应出现分层现象；第二个是样品应用于被测黑液混凝后检测滤液色度，观察色度去除效果；第三个是样品应用于被测黑液后检测滤液COD值，观察化学耗氧量的去除效果。经过正交试验，分析可变因素的变化对目标因素的影响程度。正交试验因素、水平，见表2。

根据试验采用四个可变因素和三个水平的设想，确定了L9(34)正交试验方案。
2试验结果和讨论
2.1改性剂选择经对邯邢Ca基膨润土检测，其蒙脱石含量比较低，只有50%左右，阳离子交换能力属于中低品位级，其理化性能也比较差。虽经提纯处理，但其理化性能未得到较大改善。膨润土对造纸黑液的处理机理不仅在于絮凝效果，还在于蒙脱石的阳离子交换容量大小及其交换后对颜色的吸附性，使黑液的固形物和颜色都得到综合治理，以确保处理后的水质更好地循环应用于造纸制浆。针对麦草碱法造纸制浆黑液的特性，选择了廉价的盐酸和硫酸混合酸作为活化剂，氟酸钠和碳酸钠的混合物作为改性剂，经探索性应用试验，效果较好，并纳入正交试验进行系统试验研究。
2.2正交试验L9(34)试验结果结果数据见表3，极差分析见表4；直观影响趋势见图1和图2。从表3的正交试验结果和表4的极差分析可看出，四个可变因素对造纸黑液的色度处理效果影响顺序为：B>A>D>C；而对造纸黑液COD处理效果的影响顺序为：A>B>C>D。又由图1和图2可直接判断出优化的工艺条件是：对黑液色度处理效果最佳的是A3B3C2D3；而对黑液COD处理效果最佳的是A3B3C2D2。再由表3中9组试验数据比较得知，较好的一组是第8组，其优化条件是A2B3C2D2。综合三者的优化条件，确定了A2B3C2D2为制备膨润土混凝剂的最佳工艺条件，并按此进行了重现性试验和中试试验，并应用中试混凝剂进行造纸黑液工业化处理试验，结果见表5。
2.3讨论
2.3.1酸用量选择：膨润土的高活性在层间最为突出，但由于其活性物质受某些物质的作用而失去活性，故需采用一种活化剂进行活化，以改变膨润土的结构。膨润土中的Al3+和Fe3+、Ca2+是混凝剂的关键元素，怎样既要使层间的可交换的Al3+、Fe3+、Ca2+被H+所置换，又要使一部分晶格离子Al3+被溶出，很显然需要带H+离子的酸才可起到活化作用。为了使不同盐类在水中均有较高的溶解度，采用了廉价的工业级硫酸盐酸混合酸作为活化剂，对膨润土进行活化。从图2可知，混合酸用量对黑液的COD处理效果影响最大。随着混合酸用量的增加，其所制备的混凝剂对黑液的COD去除率大幅度提高。但是，当酸用量达到8%时，所制备的混凝剂会出现分层现象而影响使用，所以酸用量以控制在4%～6%为宜。

2.3.2改性剂用量选择：膨润土经过活化，可强化改性剂对膨润土的改性反应，为了维持混凝剂一定的酸性，改性剂的阳离子选择弱碱性或中性的，去交换活化时未交换的部分膨润土中的高价阳离子，以便提高混凝剂的脱色性和均一性。从表4知道，改性剂用量是影响脱色效果的主要因素；再从图1看出，随着改性剂用量的增加，膨润土的阳离子交换量增加，脱色效果的提高幅度比较大，但超过1.5%时，发现混凝剂的粘度太大，絮凝后粒子反絮凝时难度较大，所以选择用量宜不大于1.5%。
2.3.3改性温度选择：改性温度对膨润土改性的作用，主要可增大其膨胀倍数，还可加快改性速度和增加阳离子的交换量，但是阳离子交换量与改性温度的关系并非线性关系。从图2的直观趋势图看出，当达到某一温度时，所制备的混凝剂对黑液的COD去除效果达到最好，再提高温度反而下降，这说明当改性温度在60℃时，所制备的混凝剂的阳离子交换量最大，即阳离子交换达到饱和。按阳离子交换可逆性原理，再提高改性温度，混凝剂中已被交换的低价阳离子又被高价阳离子交换，反而会使其阳离子交换量下降。
2.3.4改性时间选择：在改性过程中，温度低，改性反应速度慢，要使改性反应完全，则需要延长改性时间；但在温度比较高的情况下，加快了改性反应速度，缩短了达到平衡的时间，如果改性时间过长，可逆反应便会加剧，既严重影响混凝剂对COD的处理效果，还加大了能耗，降低了生产能力。从图2可知，在改性反应时间为90min时，所制备的混凝剂对黑液COD的处理效果最好。3结语1 通过探索性和正交实验，确定制备膨润土混凝剂的优化工艺条件为：活化剂用量为膨润土的4%～6%；改性剂用量为膨润土的1%；改性温度为60℃；改性时间为90min。2 采用膨润土为原料，制备出的混凝剂对麦草浆造纸黑液的色度去除率可达90%以上；对COD的去除率可达到70%以上。生产工艺简单合理，可操作性强。
3 本试验选择的原料易得，制备出的混凝剂成本低，每吨原料成本只有30元，显著降低了造纸废水的处理成本；处理后的过滤水可全部循环使用于造纸制浆，减少了废水排放量，减轻了造纸废水对环境的污染。