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聚合氯化铁的制备及其絮凝效果

2021-08-06 来源:飒榕旅游知识分享网
第25卷第1期 2014年1月 化学 研究 中国科技核心期刊 http://hxya.chinajourna1.net.cn CHEMICAL RESEARCH 聚合氯化铁的制备及其絮凝效果 卢大鹏 ,王晓凤。,黄雯琦 庄 田 ,李庆新 ,(1.武汉工程大学环境与城市建设学院,湖北武汉430074; 2.湖北省赤壁市环境监测站,湖北赤壁437300) 摘要:以赤铁矿和工业盐酸为原料,采用盐酸酸浸和加碱聚合等方法制取聚合氯化铁絮凝剂(PFC),将其用来 处理造纸废水,并与市售聚合氯化铁和碱式氯化铝絮凝剂进行比较.结果表明,在碱化度为2:I、聚合温度为4O ℃、陈化时间为24 h时,自制聚合氯化铁絮凝剂对造纸废水具有较好的处理效果;投加量为1.4 mL/L时,造纸 废水的浊度降低了99 ,化学需氧量(COD)降低了69.55 ,优于市售絮凝剂对造纸废水的处理效果;且三种絮 凝剂用量相同时,自制的聚合氯化铁絮凝剂形成絮体的速率和沉降速率都较快. 关键词:聚合氯化铁;碱化度;造纸废水;赤铁矿 中图分类号:X 705 文献标志码:A 文章编号:1008—1011(2014)Ol一0072—04 Preparation and flocculation effect of polymeric ferric chloride LU Dapeng ,WANG Xiaofeng ,HUANG Wenqi ,ZHUANG Tian ,LI Qingxin (1.School of Environment and Civil Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430074,Hubei,China 2.Environmental Monitoring Station of Chibi,Chibi 437300,Hubei,China) Abstract:Taking the hematite and industrial hydrochloric acid as raw materials,we adopt methods of experiments and comparative analysis to prepare the polymerization ferric chloride flocculant(PFC)in order to dispose the papermaking wastewater,and try to compare it with the commercially available poly ferric flocculants and poly aluminum flocculants.The results show that the PFC prepared has the preferable treatment effect to the papermaking waste water when the basicity of the PFC is 2:1。the cross—linking temperature of the PFC is 40℃and the aging time of the PFC is 24 h;the turbidity of the papermaking wastewater has gone down by 99 9,5 when the dosage of it is 1.4 mL/L,and the COD has gone down by 69.55 9/6,its treatment effect to the papermaking wastewater is better than the commercially available flocculants.And it has the advantages of forming flocs faster and settling rate quicker in the case of the same dosage. Keywords:polymerization ferric chloride;degree of alkalization;papermaking wastewater; hematjte 随着我国经济的飞速发展,各个行业对纸张的需求与日俱增,促进了造纸业的迅猛发展.造纸工艺中制 浆等工艺过程中产生大量的造纸废水排入水体将严重危害水生动植物的生存环境,降低水资源的利用价值. 造纸废水排放量较大,约占工业废水排放总量的1/6,且COD和悬浮物(SS)含量高、纤维状悬浮物多、颜色 较深、含有二价硫通常伴有硫醇类恶臭气味,处理较为困难;此外,脱墨剂等物质的添加进一步增大了造纸废 水处理的难度.迄今为止,造纸废水引起的水环境污染仍未得到很好的解决,其难点在于造纸废水的成分越 收稿日期:2013—10—23. 基金项目:武汉工程大学研究生教育创新基金项目(CX201248). 作者简介:卢大鹏(1985一),男,硕士生,研究方向为废水处理与资源化利用. 通讯联系人,E—mail:liqingxin@21cn.corn. 第1期 卢大鹏等:聚合氯化铁的制备及其絮凝效果 73 来越复杂,尚没有适宜的高效絮凝剂[1 ]. 目前针对造纸废水处理的高效无机絮凝剂主要有铝系和铁系两大类.铝离子和铁离子均可用作偶联金 属离子,但铝系絮凝剂具有残留毒性效应,且低温时其除浊能力大大降低;铁系絮凝剂不但具有较高的Zeta 电位,而且分子量较大,具有较强的吸附架桥能力,聚合氯化铁(PFC)在水处理过程中形成的絮体密实,沉降 速率快,能够有效的处理废水.然而,PFC至今尚未大规模使用,其原因可能在于其中铁的氯化物稳定性较 差,易沉淀脱稳导致失效_5].PFC可以由酸洗废液和钢铁炼渣作为原料生产得到,但由于其中含有大量杂 质,且制备的PFC浓度较低,提纯和浓缩的过程增加了生产成本. 赤铁矿中含有少量的磷元素,反应过程中可以生成亚磷酸盐,起到稳定剂的作用;赤铁矿含铁丰富,用工 业盐酸浸出后全铁含量约12 ,达到国家对水处理剂规定的标准;钙、锰、铜和锌等金属元素含量较少,其中 的非金属元素基本不参与浸出反应,对絮凝效果的影响较小;自制的聚合氯化铁纯度和浓度都较高;本文作 者采用赤铁矿和工业盐酸制取聚合氯化铁(PFC),其原料来源广泛,价格低廉,且符合清洁生产和可持续发 展的要求,具有较好的经济效益、社会效益和环境效益.同时对聚合氯化铁处理造纸废水的絮凝效果进行了 研究,并与市售絮凝剂的废水处理效果进行了比较. 1 实验部分 1.1试剂和仪器 蒸馏水、赤铁矿、工业盐酸、造纸废水和NaOH等;CJJ一931(HJ一6A)数显六联磁力搅拌器,PHS-3C pH 计,TA6—1程控混凝试验搅拌仪、HH一6化学耗氧量测定仪、WGZ一200浊度仪等. 1.2聚合氯化铁的制备 将赤铁矿磨成150目的细粉;取一定量的赤铁矿加入四口烧瓶中,并加入8 mol/L的工业盐酸(控制浸 出时的液固比为2:1),在40℃加热搅拌的条件下反应3 h,得到的浸出液为全铁含量约为12%的三氯化铁 溶液;将得到的三氯化铁溶液静置沉淀,取上清液,在加热搅拌的条件下,按碱化度为2:1的比例加入一定 量3 mol/L的NaOH溶液,搅拌均匀后室温下陈化24 h,即得到全铁含量约为11 的聚合氯化铁絮凝剂. 1.3絮凝效果评价 使用程控混凝试验搅拌仪进行混凝实验,温度设定为室温.分别将适宜碱化度、聚合温度和陈化时间下 制取的聚合氯化铁等剂量加入到造纸废水中,通过程控混凝试验搅拌仪进行混凝实验,利用快速消解法测定 处理后造纸废水的COD,用浊度计测量浊度,观察自制聚合氯化铁絮凝剂对造纸废水处理的效果. COD以质量浓度计,单位mg/L,其计算公式如下: C0D(0, 2,mg/L)一 ( —— 一V )C×8×1000 _二H二_二_二_一 式中:C是硫酸亚铁铵标准溶液的浓度,mol/L;V。是滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液体积,mL;V 是滴定 水样时硫酸亚铁铵标准溶液体积,mL; 是水样的体积,mL;8是氧(1/2 O)的摩尔质量,g/mol; COD去除率以百分比计,其计算公式如下: C0D 一C0D。 , 17一— — ×100 式中:COD 是处理前化学需氧量的数值,单位mg/L;CODz是处理后化学需氧量的数值,单位mg/L. 浊度由浊度计直接读出,浊度去除率以百分比计,计算方法如下: 一 处理前的浊度 X 100 ~ 2结果与讨论 大量研究结果表明,混凝实验效果主要受聚合温度、陈化时间、絮凝剂种类、絮凝剂浓度和絮凝剂投加量 等因素的影响 ].因此将系统考察上述因素对废水处理效果的影响. 2.1 聚合氯化铁的适宜碱化度分析 在室温条件下,分别取500 mL造纸废水,将制取的不同碱化度的聚合氯化铁等量加入到造纸废水中, 74 化学研究 通过程控混凝试验搅拌仪进行混凝实验.经测定,造纸废水原水pH约为7,COD约为1 500 mg/L,浊度仪 的检测限为2 000 NTU.不同碱化度的聚合氯化铁对造纸废水处理COD和浊度的去除情况如图1所示. 由图1可以看出,碱化度不同,聚合氯化铁对造纸废水的处理效果也不同.碱化度的变化对COD去除 率和浊度去除率均有较大的影响.当碱化度为2:1时,聚合氯化铁对造纸废水的处理效果较好,COD去除 率为69 ,浊度去除率高达99 以上;随着碱化度的增加,浊度去除率反而降低.这是因为,碱化度的过度增 加会破坏Fe(OH)。胶体的稳定性,使较多的铁在溶液中以Fe。 的形式而非Fe(OH)。胶体的形式存在,从而 使得在混凝沉淀的时候铁有较高的溶出率,降低了混凝效果¨7 ]. 2.2聚合氯化铁的适宜聚合温度分析 取等量的三氯化铁溶液置于六联磁力搅拌仪上,在不同的温度下同时缓慢滴加等量的3 mol/L的 NaOH溶液,快速搅拌条件下反应3 h,反应结束后陈化一定时间,制得不同聚合温度的聚合氯化铁.不同聚 合温度下聚合氯化铁对造纸废水处理COD和浊度的去除情况如图2所示. 纂 \ ’、 篓 粕 婚 篷 ・祷 粕 闲 § 熨 崔兰! 题 图1 不同碱化度的聚合氯化铁对造纸废水的处理效果 Fig.1 Treatment effect of polymerization ferric chloride floeculant in different basieity for papermaking wastewater 图2不同聚合温度的聚合氯化铁对造纸废水的处理效果 Fig.2 Treatment effect of polymerization ferric chloride floeeulant in different cross-linking temperature for papermaking wastewater 由图2可以看出,聚合温度不同,聚合氯化铁对造纸废水的处理效果也不同.随着温度的升高,聚合氯 化铁对造纸废水处理的效果逐渐提高,但当温度达到40。C以后,其处理效果逐渐变差,这是由于过高的温度 破坏了聚合氯化铁的稳定性,使原来已经聚合的聚合氯化铁发生分解. 2.3聚合氯化铁的适宜陈化时间分析 取等量碱化度为2:1,聚合温度为4O℃的聚合氯化铁在相同条件下分别陈化不同的时间.不同陈化时 间下的聚合氯化铁对造纸废水处理COD和浊度的去除情况如图3所示. 由图3可以看出,陈化时间不同,聚合氯化铁对造纸 废水的处理效果也不同.随着陈化时间的增加,聚合氯化 铁对造纸废水的处理效果逐渐提高;当陈化时间超过24 h时,其处理效果逐渐变差.这是由于聚合氯化铁本身稳糖 摹 、~、 蹲 定性较差,在没有稳定剂的条件下难以长时间存放.为使氯 聚合氯化铁能够长期具有良好的絮凝效果,聚合时可加 巅 人少量柠檬酸等作为稳定剂. 2.4絮凝效果 在室温条件下,分别取500 mL造纸废水,选择制备的 碱化度为2:1、聚合温度为4O℃、陈化时间为24 h的聚合 氯化铁溶液和市售絮凝剂按一定的体积加入到造纸废水 中,通过程控混凝实验搅拌仪进行混凝实验.不同絮凝剂对 造纸废水COD及浊度去除情况如图4和图5所示. 通过自制聚合氯化铁和市售絮凝剂对COD和浊度 图3不同陈化时间下的聚合氯化铁 对造纸废水的处理效果 Fig.3 Treatment effect of polymerization ferric chloride floceulant in different aging time for papermaking wastewater 第1期 卢大鹏等:聚合氯化铁的制备及其絮凝效果 75 去除率的比较可知,自制的聚合氯化铁对造纸废水的处理效果优于市售絮凝剂.随着使用量的增加,市售絮 凝剂和自制聚合氯化铁对造纸废水的COD和浊度的去除效果均比较明显,但是自制的聚合氯化铁更加稳 定,在投加量较低的时候即可达到较好的处理效果;当投加量达到1.4 mL/L时,造纸废水的浊度去除率均 可达到94 以上.但是当加药量达到一定数量时,絮体较小,沉淀缓慢,且出现“返浑”现象.这可能是因为开 始少量滴加絮凝剂的时候,吸附架桥和网捕作用占主导地位,使得絮体很快形成,并相互聚集成大的絮体而 沉淀下来;随着投加量的增大,电中和作用占主导地位,使原来已经脱稳的胶体颗粒重新带上正电荷而复稳, 从而使处理后的造纸废水“返浑”,浊度增加.絮凝剂的混凝沉淀是一个复杂的过程,其中吸附架桥、网捕和 电中和等作用之间的关系及其占主导地位的时间还需要进一步的探究_9 . 量 、 篓 瓣 硝 § 鬟 图4聚合氯化铁与市售絮凝剂COD去除翠的比较 图5聚合氯化铁与市售絮凝剂浊度去除率的比较 Fig.4 Comparison of the removal rate of COD between Fig.5 Comparison of the removal rate of turbidity polymerization ferric chloride flocculant and between polymerization ferric chloride flocculant commercially available flocculants and commercially available flocculants 结论:本文以赤铁矿和工业盐酸为主要原料,通过酸浸、澄清或过滤、加碱聚合和常温陈化等过程制取聚 合氯化铁.得到全铁含量约为11 的聚合氯化铁絮凝剂,达到国家对水处理剂标准的要求.与市售絮凝剂相 比,自制的聚合氯化铁原料来源广泛,成本降低了2O ~3O . 实验结果表明,当碱化度为2:1、聚合温度为4O℃、陈化时间为24 h时,聚合氯化铁絮凝效果最佳. 将自制的聚合氯化铁与市售的絮凝剂进行了比较,通过比较发现,在有效成分低于市售絮凝剂的情况 下,自制的聚合氯化铁对造纸废水COD和浊度的去除效果均优于市售絮凝剂.自制聚合氯化铁投加量为1.4 mI /L时,造纸废水的浊度下降了99 ,化学需氧量下降了69.55 . 参考文献: E1]张璇,姜红雷.造纸废水治理技术的研究进展rJ].工业水处理,2009,27(1):8—11. 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