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酸浸拜耳法赤泥制取聚合氯化鋁鐵并處理工業(yè)廢水試驗研究

文檔作者：路坊海文檔來源： 1．貴州理工學院材料科學與冶金工程學院 2．貴州省特種功能材料2011協(xié)同創(chuàng)新中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月06日
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第34卷第1期(總第139期)
2015年2月
濕法冶金
Hydrometallurgy of China
V01．34 No．1(Sum．139)
Feb。2015
酸浸拜耳法赤泥制取聚合氯化鋁鐵并
處理工業(yè)廢水試驗研究
路坊海
(1．貴州理工學院材料科學與冶金工程學院，貴州貴陽550003；
2．貴州省特種功能材料2011協(xié)同創(chuàng)新中心，貴州貴陽550003)
摘要：研究了以拜耳法赤泥和工業(yè)鹽酸為原料制備聚氯化鋁鐵(PFAC)，考察了液固體積質量比、浸出時間、
浸出溫度及鹽酸濃度對赤泥中Alz0。和Fez0。浸出率的影響及PFAC處理工業(yè)廢水的絮凝效果。試驗結果
表明，在鹽酸濃度6 mol／L、反應時間3．5 h、溫度85℃、液固體積質量比4 mL／1 g的最優(yōu)條件下，F(xiàn)e203和
Alz0。浸出率分別為94．11％和84．33％，此時溶液中m(Fe)／m(A1)一0．55；用制得的液態(tài)聚氯化鋁鐵
(PFAC)處理工業(yè)廢水，絮凝效果較好。
關鍵詞：拜耳法赤泥；鹽酸；聚氯化鋁鐵；廢水；處理
中圖分類號：TF803．2；X703 文獻標志碼：A 文章編號：1009—2617(2015)01—0079—04
DOI：10．13355／j．cnki．sfyj．2015．01．20
赤泥是氧化鋁冶煉過程中排出的固體廢棄
物，每生產(chǎn)1 t氧化鋁會產(chǎn)出1．0～1．8 t赤
泥[1{]。目前，我國赤泥累計堆存量已達3．5億
t[3嵋]。貴州某鋁廠堿性赤泥年產(chǎn)量約140萬t，堆
存占用大量土地，而且對環(huán)境有一定危害，其中的
許多有價成分得不到合理回收。該企業(yè)污水排放
量約1 200萬t，主要采用絮凝法處理，年處理費
用約400萬元。近年來，利用赤泥、煤矸石、鋼廠
廢渣等工業(yè)廢物制備聚氯化鋁鐵(PAFC)的研究
受到廣泛關注[7d?。聚氯化鋁鐵吸附能力強、絮
體大、沉降速度快，用其處理工業(yè)廢水，用量小，吸
附效果好[1卜1 4|。試驗研究了用工業(yè)鹽酸與拜耳法
赤泥為原料制備液體聚氯化鋁鐵并用其處理工業(yè)
廢水，以期為拜耳法赤泥的資源化和工業(yè)廢水的
處理找到一條有效途徑。
1 試驗部分
1．1試驗原料
試驗用赤泥取自貴州某拜耳法氧化鋁廠。該
廠赤泥以干法堆存，取樣點為壓濾機新鮮壓濾赤
泥，放置30 d，烘干磨細過160目篩，其主要成分
見表1。
工業(yè)鹽酸，密度為1．19 g／cm3，HCl質量分
數(shù)約為38％。
表1赤泥主要成分％
1．2試驗儀器
試驗用主要儀器包括DHG9070A型電熱恒
溫鼓風干燥烘箱，PB-IO型酸度計，SHZ—llI型循
環(huán)水真空泵，Kratos AXIS Ultra DLD型X射線
光電子能譜儀，DR2700型HACH分光光度計，
DRB200型HACH數(shù)字消解器，WGZ一10型散射
式光電濁度儀，XMTB型數(shù)顯控溫儀。
1．3試驗方法
取赤泥i00 g，加入適量工業(yè)鹽酸，攪拌升溫，
加熱過程中添加適量氧化劑(如HNO。)及催化
劑，控制m(Fe)／m(A1)一1／(9～10)，恒溫一定時
收稿日期：2014—07—02
基金項目：貴州省科學技術基金資助項目(黔科合J字[201412083號)；貴州理工學院自然科學基金資助項目(XJ2K20130809)。
作者簡介：路坊海(1979一)，男，貴州畢節(jié)人，碩士，工程師，主要研究方向為冶金環(huán)保。E-mail：lufanghai2006@163．com。
萬方數(shù)據(jù)
· 80 · 濕法冶金2015年2月
間后過濾，濾液在一定條件下加NaOH調pH進
行聚合，得到液體聚氯化鋁鐵(PAFC)。用制得
的PAFC對企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水進行處
理，測定PAFC的絮凝性能。
1．4試驗原理
鐵、鋁性質相似，它們的鹽可通過交叉共聚形
成多核、更長、更穩(wěn)定的分子鏈[1?。聚氯化鋁鐵
是氯化鋁和氯化鐵通過水溶液中羥基架橋而形成
的無機高分子絮凝劑，既具有聚合氯化鋁的優(yōu)良
絮凝性能和強大的電荷中和作用，又具有聚合氯
化鐵的吸附性強、沉淀速度快的特性。
反應機制：赤泥中的A1。O。、Fe。O。與鹽酸在
加熱、攪拌條件下反應生成A1C1。和FeCl。；在
pH為3．5～4．5條件下，溶液中的A1C1。和
FeCl。發(fā)生水解和聚合反應生成液態(tài)聚氯化鋁鐵
EAl。(OH)72C1。。]m·EFe2(0H)nCl。。]優(yōu)(1≤船≤
5，仇≤10)[1引。反應過程中加入一定量硝酸，將赤
泥中的少量二價鐵氧化為三價鐵。主要化學反應
為：
Fe203+6HCl——2FeCl3+3H20， (1)
Fe2++NO；-+2H+——Fe3++N02十+
H20。(2)
赤泥中的鋁主要以A1。0。形式存在，與鹽酸
的反應為
A1203+6HCl—2AICl3+3H20。(3)
2試驗結果與討論
2．1 液固體積質量比對鋁、鐵浸出率的影響
控制溫度為80℃，反應時間為2．5 h，鹽酸濃
度為5 mol／L，液固體積質量比對Fe。0。和
A1。o。浸出率的影響試驗結果如圖1所示。
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圖1液固體積質量比對鋁、鐵浸出率的影響
從圖1看出：隨液固體積質量比增大，鋁、鐵
浸出率均升高}液固體積質量比為4 mL／t g時，
Fe。0。、Al。0。浸出率最大，分別為93．02％和
82．5％；之后，F(xiàn)e：O。、Al。03浸出率變化不大。隨
液固體積質量比增大，體系中液、固相接觸界面增
多，反應更加完全；但液固體積質量比增大意味著
鹽酸用量加大，在獲得高浸出率的同時也會引起
鹽基度下降，導致產(chǎn)品堿化度降低；再者，液固體
積質量比過大，酸耗量增大，產(chǎn)品中游離酸增多，
用浸出液制備聚合物時，過量的余酸會使聚合時
堿的耗量增大，導致生產(chǎn)成本增加：因此，液固體
積質量比以控制在4 mL／1 gN宜。
2．2浸出溫度對鋁、鐵浸出率的影響
控制浸出時間為3．5 h，液固體積質量比為
4 mL：1 g，鹽酸濃度為5 mol／L，浸出溫度對鋁、
鐵浸出率的影響試驗結果如圖2所示。
圖2浸出溫度對鋁、鐵浸出率的影響
由圖2看出：隨溫度升高，F(xiàn)e。0。和Al。O。浸
出率均相應升高；85℃時，Al。o。和Fe：O。的浸
出率達到最大，分別為91．12％和80．25％；溫度
高于85℃后，浸出率開始下降。從熱力學角度考
慮，溫度升高強化了反應程度，但溫度過高易造成
鹽酸揮發(fā)，并加快Al”、Fe3+水解反應速率，導致
浸出率降低。所以，確定反應溫度以85℃為宜。
2．3浸出時間對鋁、鐵浸出率的影響
控制溫度為85℃，液固體積質量比為
4 mL／1 g，鹽酸濃度為5 tool／L，浸出時間對鋁、鐵
浸出率的影響試驗結果如圖3所示?？梢钥闯觯弘S
酸浸時間延長，Al。03和Fe。03浸出率均相應升
高；當反應時間達3．5 h時，F(xiàn)e203和～：03浸出率
分別為90．1l％和81．33％；繼續(xù)延長反應時問，兩
者浸出率增大幅度均變小，且鹽酸揮發(fā)損失增加。
這是因為反應開始階段酸濃度相應較高，反應速度
相應較快，隨著反應的進行，酸濃度逐漸降低，溶液
萬方數(shù)據(jù)
第34卷第1期路坊海：酸浸拜耳法赤泥制取PFAC并處理工業(yè)廢水試驗研究·81·
中A13+和Fe3+濃度相應升高，抑制了浸出反應的
進一步進行。適宜的浸出時間確定為3．5 h。
圈3浸出時間對鋁、鐵浸出率的影響
2．4鹽酸濃度對鋁、鐵浸出率的影響
控制浸出時間為3．5 h，溫度為85℃，液固體
積質量比為4 mL／1 g，鹽酸濃度對鋁、鐵浸出率
的影響試驗結果如圖4所示。
圖4鹽酸濃度對鋁、鐵浸出率的影響
從圖4看出：隨鹽酸濃度增大，赤泥中鐵、鋁
浸出率升高；鹽酸濃度大于6 mol／L時，F(xiàn)ezOs和
Al。O。浸出率開始下降。從經(jīng)濟成本和操作環(huán)境
兩方面考慮，確定鹽酸濃度以6 mol／L為宜。
綜上所述，鹽酸浸出赤泥的最適宜條件為：反
應時間3．5 h，溫度85℃，液固體積質量比
4 mL／1 g，鹽酸濃度6 mol／L。該條件下，F(xiàn)e。O。
和Al。O。的浸出率分別為94．11％和84．33％，此
時溶液中m(Fe)／m(A1)=0．55。
3聚氯化鋁鐵的制備和絮凝性能的測試
聚氯化鋁鐵(PFAC)的絮凝機制為[1川：鋁離
子水解生成一種高聚體——Al，。AlO。(OH)剮其
表面絡合鐵離子使絮體呈正電性，而通常廢水中
的懸浮物及膠體呈負電性，絮凝劑通過壓縮雙電
層及電中和作用，使廢水中的懸浮物粘連、架橋形
成網(wǎng)狀，在下沉過程中，對顆粒發(fā)生網(wǎng)捕作用。
取適量優(yōu)化條件下的赤泥酸浸液，用NaOH
溶液調pH制備聚合氯化鋁鐵。以聚合溫度、
pH、反應時間和NaOH溶液濃度4因素進行正
交試驗，考察各因素對制備聚合氯化鋁鐵的影響。
試驗結果表明，制備聚氯化鋁鐵的最佳條件為：聚
合時間3 h，pH一3．5，溫度70℃，NaOH溶液濃
度0．25 mol／L。該條件下，得到棕紅色聚氯化鋁
鐵液體，其中Fe。O。質量分數(shù)為4．76％，Al。O。
質量分數(shù)為5．57％，鹽基度為31．6％，密度為
1．13 g／cm3。
選用試驗制備的聚氯化鋁鐵(PFAC)及企業(yè)
現(xiàn)正使用的聚合氯化鐵(PAF)和聚合氯化鋁
(PAC)對氧化鋁系統(tǒng)產(chǎn)出的污水進行處理，考察
絮凝性能。廢水體積1 000 mL，藥劑投加量均為
0．05 0A，快速攪拌均勻后靜置30 min，取上層2～
3 cm處清液測定懸浮物SS及pH，并計算COD
去除率。試驗結果見表2。
表2絮凝性能比較試驗結果
由表2看出，試驗制備的聚合氯化鋁鐵
(PFAC)的絮凝性能優(yōu)于單一聚合氯化鐵(PAF)
和聚合氯化鋁(PAC)的絮凝效果。
4 結論
常壓條件下，以拜耳法赤泥和工業(yè)鹽酸為原
料制備的聚氯化鋁鐵絮凝劑(PAFC)技術上是可
行的，所制備的產(chǎn)品對工業(yè)廢水的絮凝效果很好。
赤泥中Fe。O。和A1。O?？梢杂名}酸浸出，最優(yōu)條
件下，F(xiàn)e。0。和AI。O。浸出率分別為94．Il％和
84．33％，溶液中m(Fe)／m(A1)一0．55。
用赤泥酸浸液制備聚氯化鋁鐵絮凝劑(PAFC)
處理工業(yè)廢水，比用聚氯化鐵及聚氯化鋁的效果更
好。鋁鐵共聚物兼具兩者的優(yōu)點，反應速度快，沉
降迅速，絮體粗大、致密，除濁效果好。
萬方數(shù)據(jù)
·82· 濕法冶金2015年2月
為降低生產(chǎn)成本，實際生產(chǎn)中可用工業(yè)廢酸
代替工業(yè)鹽酸。工業(yè)化階段，可將赤泥酸浸液制
備的聚氯化鋁鐵通過流量計控制的管道輸送至污
水處理池直接使用。
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[173皮新華．PAFC給水處理的試驗研究In]．上海：同濟大學，
2007．
Preparing of PFAC With Bayer Red Mud and Hydrochloric Acid
and Treating Industrial Wastewater
LU Fanghai
(1．School of Materials Science and Metallurgical Engineering，Guizhou Institute of Technology，
Guiyang 550003，China；
2．Special Functional Materials of Guizhou Province，2011 Collaborative Innovation Center，
Guizhou Institute of Technology，Guiyang 550003，China)
Abstract：Polyaluminium ferric chloride(PFAC)was prepared with Bayer red mud and hydrochloric
acid．The effects of liquid—solid ratio，leaching time，leaching temperature and hydrochloric acid
concentration on the lcaching rate of Alz 03 and Fe2 03 from red mud were discussed．At the optimum
conditions of hydrochloric acid concentration of 6 mol／L，leaching time of 3．5 h，leaching temperature
of 85℃，liquid—solid ratio of 4 mL／l g，the leaching rate of A1203 and Fe203 are 94．11％and 84．33％，
respectively，m(Fe)／m(A1)一0．55 in the solutions．The polyaluminium ferric chloride has higer
floccu】ation effect for industial wastewater．
Key words：Bayer red mud；hydrochloric acid；polyaluminum ferrie chloride(PFAC)；wastewater；
treatment
m
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