粉煤灰制备聚硅酸铁铝复合混凝剂正交实验分析

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第24卷第1期 2009年3月 安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报 Journal of Anhui University of Technology and Science Vol. 24. No. 1 Mar. ,2009 收稿日期:2008 - 10 - 08 基金项目:安徽工程科技学院重点教研基金资助项目(2008yjy09) ;安徽省高校青年教师科研基金资助项目(2008jql081) 作者简介:唐 海(1976 ) , 男,安徽宿松人,讲师,硕士. 文章编号:1672 - 2477(2009)01 - 0006 - 04 粉煤灰制备聚硅酸铁铝复合混凝剂正交实验分析 唐 海,杨 芬,陈 宜 (安徽工程科技学院 生化工程系,安徽 芜湖 241000) 摘要:采用正交实验的研究方法对用粉煤灰制备聚硅酸铝铁混凝剂的工艺参数进行了优化分析.研究结果表 明影响混凝效果的工艺参数主次顺序依次为酸浸时间、 聚合时间、p H值、 焙烧时间,优化值酸浸时间为30 min、 聚合时间为2 h、p H值为3、 焙烧时间为24 h ,此时对市政合流污水的浊度去除率为98 %.此外该产品和 其他市售混凝剂相比具有出水浊度低,混凝沉淀快,处理成本低等特点. 关 键 词:正交实验;粉煤灰;混凝剂;聚硅酸铁铝 中图分类号:X703. 1 文献标识码:A 粉煤灰是火力发电厂排出的固体废弃物.目前,我国堆放的粉煤灰达4亿万吨,并以每年300万吨的 速度在递增,其利用率不足30 %.在水和废水处理中,混凝是重要的方法之一,充分利用粉煤灰中的硅、 铝、 铁合成混凝剂是当前研究热点之一.例如Maohong等1用硫酸浸取粉煤灰,加热到120,反应4 h , Fe和Al的转化率分别达到84. 8 %和55. 1 % ,并对其反应动力学进行了分析2.李亚强等3 ,4分别分析了 用直接酸溶、 添加助溶剂酸溶和碱熔焙烧后再酸溶等3种方法提取粉煤灰中金属元素的能力,利用溶出液 通过慢速加碱法制取聚硫酸铁铝混凝剂,该混凝剂对乳品废水的CODcr去除率为57. 5 % ,SS去除率为 93. 1 %.许佩瑶等5采用粉煤灰硫铁矿渣为原料,合成聚硅酸铁铝(PSFA) .张警声等6在粉煤灰中加入少 量铝土矿渣和适量固体氯化钠,在90 下用稀硫酸搅拌浸提3. 5 h ,制得的混凝剂,用于处理印染废水, CODcr去除率达40 %、 色度去除率达80 %以上. Heath Lloyd等7用烟道气 (SO 2)和粉煤灰反应制成的混 凝剂与PFS的性能进行了比较,在相同质量浓度的条件下,其对TOC的去除率比PFS高10 %. 为了找出用粉煤灰制备聚硅酸铁铝混凝剂的最佳工艺参数,本文采用正交实验的研究方法,用碱熔焙 烧后再酸溶的工艺,用浊度作为评价指标,对焙烧时间、 酸浸时间、p H值以及聚合时间4个关键参数进行 了优化分析.同时对该产品和其他市售混凝剂对市政合流污水的混凝效果进行了验证和对比分析. 1 材料与方法 1. 1 实验粉煤灰样品 实验用粉煤灰取自山东枣庄发电厂,其主要化学组成如表1. 表1 实验用粉煤灰原料成分(/%) SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOTiO2SO3K2ONa2OP2O5烧失率 51. 9413. 1024. 063. 740. 930. 963. 001. 520. 320. 0914. 97 1. 2 实验原理 由表1看出,粉煤灰中主要成分为SiO2、Al2O3以及Fe2O3,而Al主要存在于莫来石(3Al2O3 2SiO2)中,由于粉煤灰玻璃体的聚合度都很高,结构致密,表面稳定,为此采用强碱溶解打开Si - Al键,首 先将Si溶出,生成Na2SiO3和NaAlO2,而Fe2O3呈游离态,再用强酸浸取,硅酸钠在酸性条件下聚合,可 得聚合硅酸,聚合硅酸和酸浸的Fe、Al混合液在特定条件下共聚即得聚硅酸铁铝.反应的方程式如下: Na2CO3Na2O + CO2 Al2O3+ Na2O2NaAlO2 SiO2+ Na2ONa2SiO3 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2NaAlO2+ 4HClAlCl3+ NaCl + 2H2O NaSiO3+ 2HClH2SiO3+ 2NaCl 1. 3 实验设备 筛子 (325 目、170目、100目 ) , 马福炉(SX2 - 5 - 12型 ) , 六联电动搅拌器(JJ - 4型 ) , 固体粉碎机 (XA - 1型 ) , 真空泵(SHZ - 3型 ) , 电热鼓风干燥箱(DHG - 2003A型 ) , 数显恒温水浴锅( HH - 6) ,p H计 (XDF - 2) ,浊度仪(WGZ- 200) ,瓷方舟等. 1. 4 混凝剂制备实验步骤 将粉煤灰在干燥箱内烘干,先用粉碎机粉碎,再过325目、170目和100目筛;分别称取粉煤灰2. 0 g 和碳酸钠3. 5 g3份,搅拌均匀后放入3个瓷方舟中,在马福炉 (900 )焙烧;冷却后,将产物碾碎后放入3 个烧杯中,分别加入50 mL 11盐酸,浸泡;用真空泵抽滤,保留上清液;用NaOH调节p H ,聚合一段时 间,即得复合混凝剂聚硅酸铁铝.本实验制备的产品为浅黄色凝胶状物质. 1. 5 实验废水水样 所用废水样由来自于安徽工程科技学院中心广场湖中地表水和生活污水配置而成市政合流污水,浊 度稀释成40 NTU待用. 1. 6 混凝实验步骤 称40 g混凝剂成品,放入100 mL容量瓶中,配置质量分数为40 %的聚硅酸铁铝;废水水样200 mL , 进行六联烧杯实验,快速搅拌30 s ,慢速搅拌30 min ,然后静置10 min ,用浊度计测出上清液的浊度. 2 结果与分析 2. 1 正交实验表 本次正交实验有焙烧时间、 酸浸时间、p H值和聚合时间这4个因素,每个因素的水平分别为30 min、 60 min和90 min ,1 h、2 h和3 h ,2、3和4 , 12 h、24 h和36 h ,根据以上所选择的因素水平,确定选用 L9 (3 4)混凝实验正交表(表 2) . 表2 L9 (3 4)正交实验因素水平表 因素水平焙烧时间/ min酸浸时间/ hp H值聚合时间/ h 1301212 2602324 3903436 2. 2 正交实验结果分析 对9组分别进行了实验,得出最小投加量、 最佳投加量、 出水浊度以及矾花的性状,分别记录如表3 , 表4是正交实验结果分析. 表3 混凝实验结果 序号最小投加量/ mL最佳投加量/ mL原水浊度/ NTU出水浊度/ NTU矾花描述 11. 41. 82401. 8大,厚实 21. 31. 815400. 8紧密,厚实 31. 21. 56407. 7细小,分散 41. 11. 43402. 5少,紧密 51. 21. 56401. 2紧密,厚实 61. 01. 65403. 2大却少 71. 02. 0403. 4大,多 81. 51. 95403. 7大,厚实 91. 82. 34404. 2小,分散 从表3可以看出,在混凝过程中,最小投加量在1. 01. 8 mL ,最佳投加量在1. 432. 0 mL ,在最优 的2号实验中,PSFA形成矾花整体速度较快、 矾花大而厚实、 污泥的体积小.从表4的级差大小可见,影 响混凝效果的工艺条件主次顺序依次为酸浸时间、 聚合时间、p H值、 焙烧时间.各因素中较佳的水平条件 分别为:焙烧时间30 min、 酸浸时间2 h、p H值为3、 聚合时间24 h. 7第1期唐 海,等:粉煤灰制备聚硅酸铁铝复合混凝剂正交实验分析 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表4 混凝结果的正交实验分析 序 号 A( 焙烧时间)/ min B( 酸浸时间 )/ h C(p H值) D( 聚合时间 )/ h E( 浊度去除率 )/ % 130121295. 5 230232498 330343680. 7 460133693. 8 560241297 660322492 790142491. 5 890223690. 7 990331289. 5 K1274.2280.8278.2282 K2282.8285.7281.3281.5E= 828.7 K3271.7262.2269.2265.2= 92.1 K191.493.692.794 K294.395.293.893.8 K390.687.489.788.4 R3.77.84.15.6 同时为验证正交验证中聚硅酸铁铝最佳制备条件,进行对照实验,结果表明,最佳投药量为1. 82 mL , 初矾花形成时间为5 min ,原水浊度在38. 70 N TU ,出水浊度为0. 78 NTU ,矾花大而密,浊度去除率为 98. 2 %.说明该工艺流程在最佳的实验条件下制备聚硅酸铁铝有一定的可靠性和稳定性. 2. 3 对比实验 图1 聚硅酸铁铝与硫酸铁、 硫酸铁+ PAM混凝效果比较 对实验制备的聚硅酸铁铝的混凝效果进行比较实验,配置 浓度为40 %的聚硅酸铁铝和10 g/ L的聚合硫酸铁待用.用聚 硅酸铁铝处理实际水样,并与单独投加Fe2 ( SO 4)3及Fe2 (SO 4)3+助凝剂PAM的混凝效果相比较,试验条件为原水水 样浊度为40 NTU ,水温20,p H值为7 ,图1为在最佳投加量 时,出水的浊度随时间的变化关系. 图1表明,聚硅酸铁铝的混凝效果与单独投加Fe2 (SO 4)3 相比,聚硅酸铁铝去浊效果好.与投加Fe2 (SO 4)3+助凝剂 PAM相比,聚硅酸铁铝去浊效果略优.因此在处理相同浊度的 情况下,聚硅酸铁铝用药量最少,处理成本也最低.试验过程中 还发现聚硅酸铁铝形成的絮体沉降性能好,原水处理后的剩余浊度降到3度以下时,聚硅酸铁铝的静止 沉降时间仅为投加Fe2 (SO 4)3+助凝剂PAM时的1/ 2 ,为投加Fe2 (SO 4)3时的1/ 3 ,沉降时间的减少有利 于缩短水或废水在处理系统内的停留时间,从而提高系统处理能力. 3 结 论 本研究利用粉煤灰制备复合混凝剂聚硅酸铁铝,并对其关键工艺参数进行了较为详细的分析,结论如 下:以市政合流污水的浊度去除率作为评价指标,通过对正交实验结果的直观分析,由级差大小可见,影 响混凝效果的工艺参数主次顺序依次为酸浸时间、 聚合时间、p H值、 焙烧时间,其确定最佳实验条件分别 为30 min、2 h、3、24 h ,此时评价指标的值为98 %.实验同时证实了最佳实验条件的可再现性,说明该制备 工艺有一定的可靠性和稳定性.用制备的聚硅酸铁铝与市售聚合硫酸铁等进行了混凝效果对比实验,结果 表明,该混凝剂具有很强的除浊能力,与市售的聚合硫酸铁相比,用量少,出水浊度低,沉降速度快,处理成 本低. 8安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报 2009年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 参考文献: 1 Maohong Fan , Robert C Brown , Thomas D Wheelock , et al. Production of a complex coagulant from fly ashJ . Chemical Engineering Journal , 2005 ,106 : 2692277. 2 Maohong Fan , Robert C Brown , J ( Hans) Van Leeuwen , et al. The kinetics of producing sulfate - based complex co2 agulant from fly ashJ . Chemical Engineering and Processing , 2005 , 42 : 1 01921 025. 3 李亚强,胡凯,赵庆良,等.酸浸粉煤灰制备复合混凝剂及其处理生活污水的效果研究J .环境科学,2007 ,28(11) :2 50722 514. 4 李亚强,胡凯,赵庆良,等.粉煤灰制备聚硫酸铝铁混凝剂及处理乳品废水的效果J .给水排水,2008 ,34 (5) :2102 214. 5 许佩瑶,丁志农.粉煤灰硫铁矿渣制备聚铁铝硅混凝剂及应用研究J .环境工程,2000 , 18(2) :46249. 6 张警声,王淑英,李成山.粉煤灰混凝剂的制备及应用试验J .东北电力学院学报,2000 ,20(1) :63265. 7 Heath Lloyd , Adrienne T Cooper b , Maohong Fan , et al. Pilot plant evaluation of PFS from coal - fired power plant wasteJ . Chemical Engineering and Processing , 2007 , 46 : 2572261. Orthogonal experimental optimum analysis for preparation of complex coagulant PSFA from fly ash TANG Hai ,YANG Fen ,CHEN Yi (Dept. of Bioch. Engn.,Anhui University of Technology and Science , Wuhu 241000 , China) Abstract :Preparation for complex coagulant PSFA from Fly Ash was optimi