利用高岭土尾矿制备复合型无机高分子絮凝剂PAFC的研究

高岭土是重要的非金属矿物材料，它不仅是建材、轻工业等传统产业的必要原料，更是现代工业发展的基础材料，是21世纪绿色环保材料。随着矿产资源的不断开发利用，产生大量的高岭土尾矿，其中大部分堆积废弃，不仅占用了大量土地，而且严重污染环境^[1-2]。聚合氯化铝铁(PAFC)是一种新型的复合型无机高分子絮凝剂，由于该类混凝剂具有混凝效果好，原料来源广，价格便宜，处理后水中残留物少等优点，引起了水处理界的极大关注^[3-6]。本实验以苏州高岭土尾矿为原料，经高温焙烧、酸浸、水解、聚合等工序制备了复合型无机高分子絮凝剂聚合氯化铝铁(PAFC)，并将其用于工业废水的处理，取得了满意的效果，为高岭土尾矿的综合利用和工业废水的治理找到了一条新的途径。

一、实验部分

（一）实验原料

苏州高岭土尾矿：粒径≤200目，白色或浅黄色固体粉末，化学分析结果(wt%)：SiO₂，61.37；A1₂O₃，30.12；Fe₂O₃，6.31。盐酸：工业品，35%～37%，江苏无锡氯碱厂；氧化钙、碳酸钠、硫酸银、硫酸汞、重铬酸钾、硫酸亚铁、邻非罗林、硫酸亚铁铵等均为化学纯或分析纯试剂。

（二）聚合氯化铝铁(PAFC)的制备

由苏州高岭土尾矿的成分含量可知，其中的铁铝成分可在一定条件下用酸溶出，得铁盐、铝盐溶液，经调节pH值，使其水解、聚合，可制备出复合型无机高分子絮凝剂聚合氯化铝铁(PAFC)。PAFC的制备技术路线见图1。

通过单因素试验考察高岭土尾矿的焙烧温度、盐酸质量分数、液固质量比、酸浸温度和酸浸时间5个因素对铁铝总溶出率的影响(指高岭土尾矿中Fe₂O₃和A1₂O₃的总溶出率，以下同)，以确定较好的溶出反应参数；在选出合理的溶出反应参数的基础上，通过实验确定合适的水解聚合条件，用自制PAFC对苏州某皮革有限公司调节池中废水浊度、色度和CODCr的去除率为评价指标，探索出较佳的铁铝水解聚合条件。

（三）混凝试验

取苏州某皮革有限公司调节池中废水进行混凝试验，其各项水质指标见表l。取500mL废水于烧杯中，然后在烧杯中加入相同量(1.OmL/L)的絮凝剂，快速搅拌(120r/min)3min，再慢速搅拌(40r/min)12min，静置沉降12min后，取上层清液测定浊度、色度和CODCr。

二、结果与讨论

（一）高岭土尾矿中铁铝总溶出率影响参数的选择

1、焙烧温度对高岭土尾矿中铁铝总溶出率的影响

控制高岭土尾矿的焙烧时间为2h，在550～750℃范围内，考察了不同焙烧温度下对高岭土尾矿中铁铝总溶出率的影响，实验结果见图2。

从图2可以看出，高岭土尾矿中铁铝总溶出率随焙烧温度的升高而增大，至650℃左右达最大，此后随温度升高，溶出率反而迅速下降。这是由于高温下偏高岭石转化为极难溶于酸的硅尖晶石、莫来石等的缘故。因此，高岭土尾矿的焙烧温度应控制在600～700℃为宜。

2、盐酸质量分数对高岭土尾矿中铁铝总溶出率的影响

控制酸浸时间为5h，酸浸温度为85℃，液固质量比为3:1，考察了浸取液中不同盐酸质量分数对高岭土尾矿中铁铝总溶出率的影响，实验结果见图3。从图3可以看出，随着浸取液盐酸质量分数的增大，铁铝总溶出率增大，当盐酸质量分数超过15%时，铁铝总溶出率随盐酸浓度增大，溶出率反而下降。这是由于在非密闭的条件下盐酸挥发量增加的缘故。因此，浸取液中盐酸质量分数应控制在15%为宜。

3、液固质量比对高岭土尾矿中铁铝总溶出率的影响

控制浸取液中盐酸质量分数为15%，酸浸时间为5h，酸浸温度为85℃，考察了不同液固质量比对铁铝总溶出率的影响，实验结果见表2。从表2可看出，铁铝总溶出率随液固质量比的增大而增大，液固质量比增大，固液接触机会增大，反应速度提高，所以铁铝总溶出率增大，但液固质量比超过3:1后，铁铝总溶出率增大不明显。因此，液固质量比应控制在3:1为宜。

4、酸浸温度对高岭土尾矿中铁铝总溶出率的影响

控制浸取液中盐酸质量分数为15%，液固质量比为3:1，酸浸时间为5h，考察了不同酸浸温度对铁铝总溶出率的影响，实验结果见图4。从图4可以看出，当酸浸温度低85℃时，铁铝总溶出率随温度升高而增大，但当酸浸温度超过85℃时，铁铝总溶出率反而迅速降低。这是由于在非密闭条件下盐酸挥发损失大大增加，加快了Fe3+和Al3+水解反应的速度，导致Fe3+和Al3+浓度降低，铁铝总溶出率下降。因此，最佳酸浸温度控制在85℃左右为宜。

5、酸浸时间对高岭土尾矿中铁铝总溶出率的影响

控制浸取液中盐酸质量分数为15%，液固质量比为3:l，酸浸温度为85℃，考察了不同酸浸时间对铁铝总溶出率的影响，实验结果见图5。从图5可看出，随着酸浸时间的延长，铁铝的总溶出率提高，但当酸浸时间超5h后，铁铝总溶出率反而明显降低。这是由于在非密闭条件下盐酸挥发损失大大增加，加快了Fe3+和Al3+水解反应的速度，导致Fe3+和Al3+浓度降低，铁铝总溶出率下降。因此，酸浸时间以5h为宜。

（二）铁铝水解聚合参数的选择

分别以Ca(OH)₂和Na₂CO₃溶液为调聚剂，考察水解聚合温度、pH值和反应时间对聚合效果的影响，结果见表3。聚合效果以产品稳定性和对废水的浊度、色度和CODCr去除率为考察指标。由表3可以看出，以Ca(OH)₂溶液为调聚剂所得产品稳定性好，浊度、色度、CODCr的最大去除率分别达到78.23%、87.56%、78.95%。其水解聚合条件为：水解聚合温度55～65℃，聚合pH值2～3，反应时间3h。

三、结论

（一）高岭土尾矿的最佳溶出条件为：在控制焙烧温度600～700℃，盐酸质量分数15%，液固质量比3:1，酸浸温度85℃，酸浸时间5h时，高岭土尾矿中铁铝总溶出率可达90%以上。在最佳溶出条件下，铁铝的最佳水解聚合条件为：以Ca(OH)₂溶液为调聚剂，水解聚合温度55～65℃，pH值2～3，反应时间3h。制备的复合型无机高分子絮凝剂PAFC稳定性好，对皮革工业中废水的浊度、色度、CODCr的去除率分别达到78.23%、87.56%、78.95%。

（二）用高岭土尾矿制备复合型无机高分子絮凝剂聚合氯化铝铁(PAFC)，其工艺较简单，生产条件易于控制，原料来源广，生产成本低，为高岭土尾矿的综合利用提供了一条新途径。

参考文献

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