粉煤灰制备聚硅硫酸铁铝及其絮凝性能

1、外文文献翻译题 目 粉煤灰制备聚硅硫酸铁铝及其絮凝性能 学生姓名 徐俊玲 专业班级 环境工程08-01班 学 号 200804050139 院 （系） 材料与化学工程学院 指导教师(职称) 牛晓霞(副教授) 完成时间 2012 年 2月 28 日 12粉煤灰制备聚硅硫酸铁铝及其絮凝性能摘要：从粉煤灰中按照（al+fe）/si不同的质量比率制备的聚硅硫酸铁铝是用来评估它们在含油废水处理中絮凝性能，以及它们通过红外光谱，x射线，透射电子显微镜下的结构和形态。因此，结果表明16:1的（al+fe）/si摩尔比率有利于形成sioal 和 siofe化合键。聚硅硫酸铁铝包括naal(so4)2(h2o)

2、6和其它的晶体。聚硅硫酸铁铝的形态在很大程度上受到（al+fe）/si摩尔比率的影响，并且当（al+fe）/si的摩尔比率为14:1或者12:1时，就会呈现三维链条网状结构。此外，絮凝实验结果显示，浊度的降低和含油废水的cod受到絮凝剂的含量以及聚硅酸硫铁铝（al+fe）/si摩尔比率的影响。过多或者过少的聚硅硫酸铁铝都不利于絮凝效率。浊度降低的最佳（al+fe）/si摩尔比率是12:1，cod降低的最佳（al+fe）/si摩尔比率是16:1。然而，当聚硅硫酸铁铝的用量达到含油废水的絮凝效果水平时，cod并不随着浊度的降低而降低。关键词：絮凝剂，聚硅硫酸铁铝，粉煤灰，含油废水，浊度降低，cod

3、降低1. 引言实践证明，絮凝是水中和废水处理过程中很重要的一步。絮凝是用来扰动胶态悬浮物并且去除悬浮固体和有机物。无机絮凝剂在絮凝过程中起到了关键的作用。在絮凝过程中普通的一种絮凝剂是铝盐和铁盐，例如硫酸铝，硫酸铁和氯化铁。这些传统絮凝剂的缺点就是不能控制金属化合物的水解作用。为了避免水解作用，并且形成所需要的最佳絮凝物，几种优先聚合的无机絮凝剂，例如，聚合氯化铝，聚合氯化铁，聚合硫酸铁已经制备出来了。然而，无机聚合絮凝剂的絮凝效果并不是很理想，一些研究集中于改善无机聚合絮凝剂的絮凝性能。许多新型的无机聚合絮凝剂已经制备出来了，例如，聚硅酸铁，聚硅酸硫酸锌，聚硅硫酸酸铁和聚氯化铝铁。这些新型复

4、合无机絮凝剂的研究有两种，一种是化学合成，例如氯化铁。另一种是复合阳离子，例如铁和铝。无机聚合絮凝剂的絮凝效果可以通过加入额外的成分来提高，从而制成新的复合絮凝剂，例如，聚硅酸的加入可以提高聚合物的比例。在中国，2009年仅仅煤的燃烧就产生接近200万吨的粉煤灰。而这些粉煤灰只有小部分被利用，其它的处理垃圾掩埋场。当煤煅烧时，矿物质灰的形式主要由硅、铝、铁和钙化合物和较少的镁、钠、钾和钛等化合物组成。尽管一些粉煤灰被用于各领域，例如混凝土外加剂,废水处理中的吸附剂等,还可以生产较高价值的产品。两种铝铁混凝剂对水和废水处理分别有着截然不同的优点和缺点。因此,由铝铁组成的混合絮凝剂是很理想的,因为

5、它拥有一些优于絮凝剂缺点的优势。然而,大多数的无机聚合絮凝剂生产以工业品位矿石为原料,但是工业品位矿石的价格和数量是有限的。 因为这个原因,使用粉煤灰生产无机聚合絮凝剂可以节约资源、降低成本等。 本研究旨在探讨从粉煤灰中制备具有不同的硅量的聚硅酸硫铁铝的表征和絮凝性能。在红外光谱、x射线衍射仪、显微镜下对样品进行结构和形态的分析。与此同时,聚硅硫酸铁铝可以评价其在含油废水处理中的性能。然而,含油废水处理采用无机混合絮凝剂只是一个预处理过程,在这之后,废水进行处理有机高分子混凝剂法和生物处理方法;此外,在此研究中聚硅硫酸铁铝的絮凝效率是评估的一个指标。本文将提供一个从粉煤灰中制备新型无机絮凝剂的

6、方法和拓展促进粉煤灰的应用。2. 材料和方法2.1材料分析纯水和电离水的所有的化学试剂用来准备所有的解决方案。用于这个研究的粉煤灰从中国锦州热电厂得到, 厂家提供了它的化学性质。粉煤灰的组成见表1。应用于该研究的原水, 是从中国石油锦州石油化工有限公司得到的含油废水,它的cod是998毫克/升和浊度是835 ntu。 絮凝试验研究是在一个六个单元的搅拌装置中进行的，(中国钱江梅雨有限公司),2100na浊度计(hach，美国)是用来测量污水处理前后的浊度。透射电子显微镜(飞利浦，em400t、荷兰)、d / max-rb x射线衍射(rigaku、日本)，尼克利特380傅立叶变换红外分光光度计

7、 (美国热电子)用来描述絮凝剂的结构。2.2聚硅硫酸铁铝的制备本研究中从粉煤灰制备聚硅硫酸铁铝需要以下三个步骤。(a) 酸浸硫酸溶液粉煤灰的比率是基于粉煤灰中铁和铝氧化物之间的化学反应。整整120克的粉煤灰和240毫升的4mol/ l酸的溶液中添加硫酸瓶中放置三个月，用于每个酸浸尾渣。粉煤灰浆搅动加热大约30分钟。反应温度控制在轻微的沸腾(105c)，4.5 h后过滤净化。然后不溶于水的粉煤灰颗粒及水150毫升加入三角瓶中,搅拌速度大约在200转/分,混合溶液是加热到100c,保温15分钟后清洗固体残余物。冷却后过滤料浆。固体残渣同样清洗三次。经过加热浓缩,母液混合液洗液含有0.496mol/

8、ld的铝,0.625mol/l的铁和少量的含有铝铁的金属溶液。（b）碱浸粉煤灰的碱浸是在 110c干燥2小时,120克干粉煤灰和300毫升5mol/l的氢氧化钠溶液添加到3口瓶中，然后均匀搅拌。混合溶液加热大约40分钟,反应温度控制在轻微的沸腾(105c)4 h然后过滤净化。滤渣和150毫升水,加入3口瓶搅拌加热到100c,再等十五分钟,过滤冷却。固体残渣同样清洗三次。母液中的混合溶液和洗液盛放在玻璃容器中。硅酸浓度为1.65mol/l。（c）聚合 有许多影响聚硅硫酸铁铝絮凝性能的因素。如酸碱度,硅的剂量,加热时间，加热温度等。然而先前的实验证明了聚硅硫酸铁铝中铝的含量是最主要是影响因素。因为

9、这个原因,在本文中,我们关注的焦点是聚硅硫酸铁铝中铝含量对絮凝性能的影响。首先准确将150毫升的铁和铝混合液加入到烘炉中加热到沸腾。稍微煮2小时举使液体成为离子水混合溶液,随后自然冷却。然后,大量的水以流量1.0ml/min加入到玻璃容器中，使聚铁铝溶液在50c下进行充分的磁力搅拌获得不同的(铁+铝)/ 硅摩尔比率。最后,在50c下快速搅拌,将15ml 4mol/l的氢氧化钠溶液以0.4ml/min的速度滴入溶液中，从而获得期望值（r=oh/(fe+al)。溶液在50c下低速搅拌 3 h，制备出聚硅硫酸铁铝絮凝剂。2.3絮凝实验 絮凝试验利用含油废水进行。所有的絮凝试验是在1.0 l的烧杯中进

10、行的，使用六个单元的搅拌系统进行搅拌。每1.0 l的测试水样被放进一个烧杯中，并且以200转/秒的转速快速搅拌1分钟后在40c的温度下加入絮凝剂,随后是在40转/秒的转速下缓慢搅拌5分钟，然后沉降20分钟。之后,在水面下3.0厘米处测试废水，上层的样品用2100an浊度测定仪测定浊度，用滴定法测定cod（gb11984-89，中国）。2.4聚硅硫酸铁铝的结构表征 聚硅硫酸铁铝溶液首先吸附到铜网上,然后在室温下干燥,载入透射电子显微镜。液体样品在50c的温度下干燥10小时,即可放入一个干燥机冷却到室温。聚硅硫酸铁铝固体用实验室的研钵和杵臼研磨后用于随后表征的研究。x射线衍射用于测定固体絮凝剂的水

11、晶相。使用d / max-rb衍射计在5-65的范围内每2以4/分钟扫描速度进行扫描。固体絮凝剂用尼克利特380傅立叶变换红外分光光度计测定溴化钾颗粒。光谱范围为4000-400cm1。3. 结果和讨论3.1 x射线衍射分析图1说明了聚硅硫酸铁铝粉末样品不同的(铝+铁)/ 硅摩尔配比的x射线衍射图谱,分析结果显示有naal(so4)2(h2o)6,caso4和其它晶体的光谱。 结果表明在酸浸出的过程中钙溶解,但是镁没有溶解。此外,对峰值进行了详细的研究表明,已经形成了新的化合物(在2 = 9.8、10.8、14.0、23.7、26.4、30.4,32.2、35.3、38.8、40.6、54.8

12、、58.5等),并且衍射晶体光谱如fe(so4)3，al2(so4)3，fe2o3、 al2o3、fe(oh)3、al(oh)3,fe3o4和sio2没有观测到,表明这些离子除了x射线衍射光谱中的如fe3+,al3 +、so4 2和si 已经聚合形成新的化合物和一些没有制定标准的分子式。因此,x射线衍射图谱研究表明加入铁和铝的硅酸钠混合溶液可能在某种程度上导致混合溶液中形成fe-si、al-si,或者fe-o-si,al-o-si等化合键，说明聚硅硫酸铁铝并不是一种简单的混合原料，而是包含新的化学物种。上述研究同其他人的结果一致。尽管聚硅硫酸铁铝样品制备方法不同。 与此同时,x射线衍射图谱结果

13、显示不同的(铝+铁)/ 硅摩尔比率有着不同的峰值。结果表明,聚硅硫酸铁铝晶体随着(铝+铁)/ 硅摩尔配比的不同有稍微的变化。3.2 傅里叶变换红外光谱学分析图2显示了合成的聚硅硫酸铁铝红外光谱分析(铝+铁)/硅的摩尔比为18:1到8:1。两个光谱展现两种特征峰值为3500-3300cm1和1651-1634cm1,可归因于絮凝剂在聚合和结晶时-oh 化合键的伸缩振动和水分子吸收的弯曲振动。可以看出,两个峰值的强度随着(铝+铁)/ 硅摩尔比的增加而增加。当(铝+铁)/硅的摩尔比为14:1时，峰值是最大的,当摩尔比率过高时，峰值会降低。这可以这样解释,(铝+铁)/ 硅的摩比率影响水的吸收量,絮凝剂

14、的聚合和结晶。、图1 聚硅硫酸铁铝粉末样品不同的(铝+铁)/ 硅摩尔配比的x射线衍射图谱与此同时,在波数在1097-1099厘米处有较强的吸收峰,这都是由于不对称al-oh-al或fe-oh-fe的伸展振动;此外,都有两个峰值大约在692-706cm和598- 607cm,这都是因为fe-oh和al-oh的弯曲振动。图2显示当(铝+铁)/硅的摩尔比值是8：1或18:1时，以上的峰值强度比其它的弱。它可以解释为大量或者少量的硅不利于fe-oh-fe,al-oh-al,fe-oh和al-oh化合键的形成。此外,它们还具有特征峰值920- 945厘米-1由于si-o-al或si-o-fe化合键的弯曲

15、振动,峰值大约在500归因于fe-o或al-o键的弹性振动。当(铝+铁)/ 硅的摩尔比值增大到16：1,两个峰值的强度最大,这或许表明(铝+铁)/ 硅摩尔比为16:1时有利于si-o-al和si-o-fe键在此范围的形成。总之,红外光谱分析结果支持包含有铁、铝和硅的聚硅硫酸铁铝新化学物种的形成。3.3 透射电子显微镜分析由不同(铝+铁)/硅摩尔比率制备的聚硅硫酸铁样品通过透射电镜观察,结果如图3。很明显,聚硅硫酸铁的透射电子显微镜分析结果不同，是由于不同的(铝+铁)/ 硅的摩尔配比,聚硅硫酸铁试剂的结构也受(铝+铁)/硅摩尔比的影响。图3显示,聚硅硫酸铁的微观结构显然是当(铝+铁)/硅的摩尔比

16、为18:1时，晶体微粒有不同的尺寸。然而,随着二氧化硅剂量的增加，形状也相对的变化。当(铝+铁)/硅的摩尔比为16:1时，絮凝剂粒子在溶液中凝聚在一起逐渐形成了一个链条或网状,当(铝+铁)/硅摩尔比为14:1和:12：1时，当进一步聚合时，一个三维链网结构出现了。但是太大剂量硅酸盐将会导致链条逐渐消失。3.4 絮凝性能絮凝实验通过聚硅硫酸铁铝的去浊度、cod降低来评估它处理含油污水的能力。图4表明了聚硅硫酸铁铝不同的(铝+铁)/ si摩尔配比的絮凝性能。同时，该结果表明了絮凝剂的用量影响了絮凝实验。事实证明，絮凝剂用量的少量增加，使得混凝性能得以明显的改善。然而, 较大的用量使得浊度去除率、c

17、od降低量减少。然而，许多以前的研究表明：混有水解金属盐的有机物质通常认为是金属水解剂在不溶微粒聚集时的中和吸附络合。此外，在聚硅硫酸铁铝的絮凝过程中，高分子聚硅硫酸铁铝对胶体粒子的吸附以及在其他任何时间的可能吸附，归因于聚硅硫酸铁铝在絮凝中的桥接。当混凝剂的用量少于有效值，这些散布的胶体粒子的表面存在少量吸附剂。难以形成絮体，并且表明聚硅硫酸铁铝的混凝性能比较差。并且，没有空闲的表面进行架桥，就如过多的正电荷水解阻碍聚硅硫酸铁吸附到水初始的絮状体上,不利于大型絮状体的形成。每个胶体颗粒就会吸附过剩的聚硅硫酸铁，随着剂量的增加，越来越多的聚硅硫酸铁被吸附于最初的絮状沉淀表面。图2 聚硅硫酸铁铝

18、粉末样品不同的(铝+铁)/ 硅摩尔配比的傅里叶变换红外光学分析图3 不同聚硅硫酸铁铝的(铝+铁)/硅摩尔比的透射电子显微镜结果(a)(铝+铁)/硅 = 18:1; (b)(铝+铁)/硅 =1:6：1; (c)(铝+铁)/硅 = 14:1; (d)(铝+铁)/硅= 12:1; (e)(铝+铁)/硅= 10:1; (f)(铝+铁)/硅= 8：1。图4也显示了废水的浊度和cod的去除效果随着聚硅硫酸铁铝的(铝+铁)/ 硅的摩尔比的提高而得到改善,并给出了废水的浊度和cod的去除的最佳摩尔比为12：1和16:1。然而,当(铝+铁)/硅的摩尔比继续增加,浊度和cod去除效果就会降低。这可能是由于以12：

19、1和14:1的(铝+铁)/硅的摩尔比率制备的聚硅硫酸铁铝具有高聚合度。就如moussas的研究表明，当聚合物支配絮凝构成时，絮凝效率就会变高,由于聚合物吸附在一起形成小颗粒,使得邻近的颗粒之间形成吸附架桥,从而促进了随后容易形成絮凝沉淀。由于较少的硅和低聚合度的聚硅硫酸铁铝的(铝+铁)/ 硅的摩尔比为18:1，样品具有较强的电荷中和能力和微弱的吸附架桥能力。因为这个原因,胶体微粒的稳定被破坏导致聚硅硫酸铁铝粒子之间不可能充分架桥。显然,有很高铝+铁)/ 硅摩尔比的絮凝剂的絮凝性能很差。然而,随着(铝+铁)/硅的摩尔比不断减小，絮凝性能开始变好,这可能是由于(铝+铁)/ 硅为12：1或14:1摩

20、尔比的样品有更好的吸附架桥能力。在实验中,已发现适当的(铝+铁)/硅摩尔比可以使絮体变大和沉淀加快。图3 e和f显示聚合度随着(铝+铁)/硅的摩尔比 的增加而降低。因此,(铝+铁)/硅摩尔比为8:1的样品有较弱的电荷中和和吸附架桥能力，但絮凝效果不好。在这项研究中,12：:1的(铝+铁)/硅摩尔比是浊度降低的最佳值;它也表明，如图3d显示的那样，吸附架桥能力对浊度的降低发挥了重要作用。然而,cod降低的最佳摩尔比为16：1,表明电中和能力对cod值的降低发挥了重要作用。此外,如图4显示的,同一剂量的聚硅硫酸铁铝，浊度降低的最大限度与cod的降低不是成正比的。这些结果与一些先前的研究类似。当聚硅

21、硫酸铁铝的剂量达到含油废水的有效水平时，有机物的聚集并没有随着浊度的降低而减少。它可能表明,有机物在去除之前被水解物吸附，而不是被复合絮凝剂直接反应，水解物随着絮凝过程的进行也逐渐产生。图4 不同聚硅硫酸铁铝的(铝+铁)/硅摩尔比的絮凝性能（a）絮凝过程中污水浊度的降低（b）絮凝过程中污水cod的降低4.结论粉煤灰中含有高浓度的氧化铁、氧化铝和二氧化硅成功地用于生产聚硅硫酸铁铝。分析结果表明:傅里叶变换红外光谱下存在si-o-al和si-o-fe键,并且（铝+铁)/硅的摩尔比影响红外光谱峰值的强度;同时,聚硅硫酸铁铝包含naal(so4)2(h2o)6和其它晶体，聚硅硫酸铁铝的形态很大程度上受

22、(铝+铁)/硅摩尔比的影响,当(铝+铁)/硅摩尔比是14:1或12：1时,就会出现一个三维的链网结构。絮凝剂的用量及(铝+铁)/硅的摩尔比含油废水反应的影响在混凝效率pfass。结果表明絮凝性能随着混凝剂剂量的增加而有明显的提高。然而,过高的絮凝剂的剂量也会导致废水浊度和cod的降低。絮凝剂的絮凝效率随着聚硅硫酸铁铝的(铝+铁)/硅摩尔比的增加而提高,并且浊度降低和cod降的最佳摩尔比率分别为12:1和16:1。此外,在含油废水处理中，使用有效的聚硅硫酸铁铝剂量时，cod的降低并不随着浊度的降低而降低。致谢本研究项目得到了辽宁省自然科学基金,国家(20092193)和辽宁省教育部门的支持(20

23、09 a043)。感谢王秀丽提供了语言上的帮助和王莉莉对分析工作的帮忙。【参考文献】1 c.z. hua, h.j. liu, j.h. qu, preparation and characterization of polyaluminumchloride containing high content of al13 and active chlorine, colloid surf. a 260(2005) 109117.2 p.a. moussas, a.i. zouboulis, a new inorganicorganic composite coagulant,consistin

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