勞德平,丁書強,倪 文,李曉光,李佳潔,高光輝

?

響應面優(yōu)化制備粉煤灰基PASC混凝劑性能與表征

勞德平1,丁書強2*,倪 文1,李曉光2,李佳潔1,高光輝2

(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083；2.北京低碳清潔能源研究院,北京 102211)

研究了以粉煤灰為原料制備聚硅氯化鋁(PASC)混凝劑的影響因素、產(chǎn)品性能和微觀結(jié)構(gòu).選取(堿化度)、((Si):(Al))、(聚合溫度)和(反應時間)對混凝高嶺土模擬廢水后透光率進行四因素三水平響應面實驗.最終優(yōu)化方案為:為1.18,為5.64,為47.40℃,為2.48h,透光率預測值達86.58%,驗證試驗均值相對誤差僅為0.18%,模型相關(guān)系數(shù)為0.9984,表明RSM優(yōu)化模型可靠.混凝劑性能隨投加量增加而不斷增加,最終趨于穩(wěn)定;隨廢水pH值增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.XRD分析PASC主要物相為氯化鈉,非晶態(tài)衍射峰形成預示著浸出液和聚硅酸加堿聚合形成了新的無定形物;FT-IR測試表明聚硅酸與Al3+及其水解產(chǎn)物間絡合形成了金屬-OH等非離子鍵;SEM顯示產(chǎn)品為高聚集度和枝化度的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).

粉煤灰；聚硅氯化鋁(PASC)；響應面(RSM)；聚硅酸

粉煤灰是燃煤電廠燃燒動力煤、煤泥或煤矸石而產(chǎn)生的微細級別飛灰,平均每消耗2t燃料煤將產(chǎn)生1t粉煤灰[1].在我國山西、陜西和內(nèi)蒙古均有堆存量巨大而未被充分利用的粉煤灰,其中鋁和硅含量通?？筛哌_85%以上,平均鋁含量在50%左右,所以,又特稱為高鋁粉煤灰[2].目前,粉煤灰大多用于建材、筑路和礦山回填等低附加值領(lǐng)域,對提取有用元素制備莫來石、分子篩、土壤改良劑及合成絮凝劑等精細利用方向用量較少[3-5].聚硅酸金屬鹽絮凝劑自20世紀90年代研發(fā)出來后發(fā)展迅速[6],至今研制出了以聚硅酸和各類金屬鹽為核心的多種類復合型絮凝劑.通過在傳統(tǒng)聚硅酸基礎上引入鋁鹽及其水解產(chǎn)物合成得聚硅氯化鋁,有效提高了絮凝劑分子量和穩(wěn)定性[7],制備的產(chǎn)品不僅消納了大量堆存的粉煤灰廢棄物,且綜合了鋁鹽吸附電中和及聚硅酸吸附架橋多重性能,使混凝廢水效果得到較大增強.

本文以粉煤灰焙燒熟料經(jīng)浸出后的高鋁硅含量濾液為原料,采用共聚法合成得到了聚硅氯化鋁混凝劑(PASC).通過響應面優(yōu)化實驗得出了制備的最佳工藝參數(shù),并進行驗證實驗;此外,研究了PASC混凝劑的性能,采用XRD、SEM和FT-IR對PASC進行表征測試,為工業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 原料和儀器

實驗原料:粉煤灰取自神華集團國華電力公司,主要化學成分含量為(質(zhì)量百分數(shù))Al2O3,52.85%; SiO2,37.61%.主要物相為莫來石、剛玉及非晶態(tài)玻璃體.中位粒徑D50為17.66μm,屬于微細粒級別飛灰.聚合氯化鋁(PAC)來源于河南某化工公司.

化學試劑:鹽酸、碳酸鈉、氫氧化鈉和硅酸鈉(九水)均為分析純;高嶺土,為化學純.均購于國藥集團化學試劑有限公司.實驗過程化學試劑配置、濾液稀釋定容均用去離子水.

實驗儀器:KSL-1200X臺式箱式爐,HH-4數(shù)顯控溫水浴鍋,MYP2011-250電動攪拌器,SHB-ⅢS臺式循環(huán)水式多用真空泵,101型數(shù)顯電熱鼓風干燥箱,雷磁PHS-2F型pH計,MYP11-2A恒溫磁力攪拌器.

模擬廢水配置:取1g高嶺土溶于250mL去離子水中,置于磁力攪拌器上攪拌均勻,配置得一定濃度穩(wěn)定的模擬廢水,靜置0.5h,取液面以下2cm處渾濁液測得透光率為0.05%.

1.2 PASC混凝劑制備過程

鋁和硅浸出:將10g粉煤灰與碳酸鈉混合物按(Na2CO3):(SiO2)=0.8配比混勻在900℃溫度焙燒3h,稱取經(jīng)冷卻磨細后的焙燒熟料5g置于燒杯中,然后加入120mL 3mol/L HCl,在40℃酸浸0.5h,再將酸浸濾液收集定容至250mL,用ICP-AES測定上述定容濾液中鋁和硅的濃度,每個樣品測試3次取平均值得最終結(jié)果.

聚硅酸的配置:將九水硅酸鈉配制成含SiO2質(zhì)量分數(shù)為6.4%的溶液,再取與前述配置溶液相同體積稀釋后1mol/L的鹽酸,在不斷攪拌條件下將上述配置好的硅酸鈉溶液緩慢加入稀鹽酸中混勻,并調(diào)節(jié)混合溶液pH值為2.0,攪拌約1h,即得SiO2質(zhì)量分數(shù)為3.2%的聚硅酸.

PASC制備過程:取100mL粉煤灰酸浸液于500mL燒杯中,將其置于磁力攪拌裝置上,在勻速攪拌過程中按設定(Si):(Al)緩慢加入聚硅酸溶液,按設定溫度聚合反應一定時間,并控制好反應過程的堿化度.反應結(jié)束后,在此溫度下陳化12h,即得淺黃色半凝膠狀液體產(chǎn)品,再置于60℃電熱鼓風干燥箱中烘干至恒重得固體產(chǎn)品.

混凝模擬廢水:取250mL配置好的高嶺土模擬廢水置于磁力攪拌器上,調(diào)節(jié)pH值,按預先設定的投加量加入絮凝劑,先在300r/min轉(zhuǎn)速下快攪2min,再在60r/min轉(zhuǎn)速下慢攪8min,后靜置0.5h,取液面以下2cm處的上清液測試其指標.

1.3 測試與表征

激光粒度儀(Mastersizer 2000E, Malvern, UK)測定粉煤灰粒徑;X射線熒光光譜儀(ZSX Primus II, Rigaku, Japan)測定粉煤灰化學成分;電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)(SPECTRO ARCOS, Germany)測定濾液中鋁和硅的濃度;紫外可見近紅外分光光度計(UV-3600, Shimadzu)測試混凝模擬廢水后透光率; zeta電位儀(Malvern, Zetasizer Nano ZS90,UK)測定混凝絮體電位;散射式光電濁度儀(WGZ-100, 0~100NTU)測定混凝廢水濁度;X射線衍射儀(D8ADVANCE, Bruker, Germany)表征粉煤灰及聚硅氯化鋁的物相;傅立葉變換紅外光譜儀(IRPrestige-21, Shimadzu)鑒別粉煤灰和聚硅氯化鋁中化學鍵合狀態(tài);掃描電子顯微鏡(Nova NanoSEM 450,FEI Company,Czech)觀察聚硅氯化鋁的微觀形貌.

2 結(jié)果與分析

2.1 響應面Box-Behnken實驗優(yōu)化

響應曲面優(yōu)化分析方法(RSM)是通過把實驗設計、數(shù)學模型及統(tǒng)計方法結(jié)合起來的一種實驗優(yōu)化方法,采用Design-Expert 10軟件自帶Box-Behnken模塊研究各因素間交互作用及其顯著性,得出相應回歸方程和響應曲面圖,進而優(yōu)化預測最優(yōu)條件及對應的響應值.具有實驗次數(shù)少、周期短和回歸方程精度高等優(yōu)點[8-10].

2.1.1 響應面實驗設計 粉煤灰浸出實驗得到的定容濾液,經(jīng)ICP-AES測定得Al和Si的濃度分別為4000及2500μg/mL.每次實驗前均按(Si):(Al)要求換算好后將粉煤灰浸出液和聚硅酸配合混勻,然后向混合液中緩慢滴加0.1mol/L NaOH溶液至一定pH值,在設定溫度下聚合一定時間.實驗中分別考察了(Si):(Al)、堿化度、聚合溫度和反應時間4個因素.

利用DE-10軟件中Box-Behnken模塊設計出四因素三水平響應面實驗,共27組實驗方案,因素水平表見表1,依次開展完27組實驗,并收集混凝模擬廢水后的上清液,及時采用紫外分光光度計測得每組透光率的實際值及模型預測值如表2.

表1 響應面因素編碼表

表2 響應面實驗設計及測試結(jié)果表

根據(jù)BBD實驗設計原理,采用最小二乘法擬合得出該模型的二次多項式方程為[11][-12]:

式中:為預測響應值(透光率);X和X為自變量影響因子;0為常數(shù)項;β為線性效應系數(shù);β為二次效應系數(shù);β為交互效應系數(shù)[8].

2.1.2 模型方差分析及顯著性檢驗 利用Design-expert 10中Box-Behnken實驗設計原理對表2中得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進行回歸擬合優(yōu)化分析,可以得出該模型的實際二次多項式回歸方程模型為:

透光率=84.17+5.17

′

A

+3.33

′

B+3.42

′

C

+1.75

′

D

+

0.75

′

AB

+2.00

′

AC

+0.25

′

AD

+0.75

′

BC

-2.00

′

BD

+

1.50

′

CD

-8.58

′

A

2

-5.71

′

B

2

-6.83

′

C

2

-1.96

′

D

2

(2)

從回歸方程中可看出,各線性效應系數(shù)均為正值,表明該影響因子正向的變化能引起響應值減小;同時,二次效應系數(shù)也都為負值,這又說明了二次多項式方程的拋物面開口朝下,響應值具有極大值點,故此響應面實驗可以進行優(yōu)化分析并得出最優(yōu)方案.

表2中還可看出實驗值與預測值較為接近,接著對模型的響應值進行方差分析和顯著性檢驗,結(jié)果見表3.回歸模型一般采用F檢驗來判定,通過其對應的顯著性水平P值來反應模型和各因素自變量對響應值影響的顯著性[13].由表中可得出回歸模型的值為545.64,其對應的值(Prob>)<0.0001,即響應值與二次多項回歸方程具有極高的顯著性,具有統(tǒng)計學意義[14].失擬項值為2.10,對應的值(Prob>)=0.37>0.05,說明失擬項不顯著,即無失擬因素存在,該模型與實驗擬合的程度較好,可代替真實點對實驗結(jié)果進行分析,回歸模型可信度高[10-13].對回歸模型進行擬合優(yōu)度檢測和顯著性檢驗,模型的決定系數(shù)2為0.9984,校正決定系數(shù)Adj2為0.9966,/(信噪比)為73.99,遠大于4,表明該模型能解釋約99.66%的響應值變化,僅有總變異的不到1%不能用該模型來解釋[12].調(diào)整決定系數(shù)Adj2-Pred2= 0.9966-0.9914=0.0052<0.2,CV(變異系數(shù))=0.54%< 10%,說明回歸方程對樣本數(shù)據(jù)點的擬合精度較高、誤差較小,模型擬合效果較好,用該二次回歸模型得出預測值是有效的[14].圖1為透光率實際值和預測值擬合圖,相關(guān)系數(shù)2為0.9984,斜率0.9984,都接近于1,說明可以用該模型代替實際值進行優(yōu)化分析[12].個體顯著性由檢驗判定,結(jié)果表明,一次項對透光率影響均為極顯著,且各因素對透光率值影響的大小順序為:堿化度>聚合溫度>(Si):(Al)>反應時間;平方項對透光率值影響均極其顯著;交互項AD影響不顯著,其他交互項均為極顯著水平.

表3 模型方差分析及回歸系數(shù)顯著性檢驗表

注:**為極顯著水平,即<0.01為;*為顯著水平,即<0.05[16].

圖1 預測值和實際值擬合

2.1.3 響應曲面圖及分析 響應面圖是響應值對各影響因素所構(gòu)成的三維空間擬合曲面圖,從圖中可以很直觀的觀察到各參數(shù)間的相互作用[13].本文在以上響應曲面函數(shù)及回歸分析的基礎上,由DE-10繪制了堿化度、(Si):(Al)、聚合溫度和反應時間與處理廢水透光率之間的曲面關(guān)系圖,其中任意一幅圖表征了4個因素中2個取零水平時,另外兩個因素相互作用對透光率的影響.響應曲面圖中等高線的形狀表示兩因素間交互作用的強弱,“橢圓形”表示兩因素交互作用顯著,且越趨向于扁平狀說明交互作用越顯著;“圓形”則表示兩因素交互作用不顯著[10,15].

圖2可以看出,堿化度是最顯著的影響因素,隨堿化度增加,透光率先增大后逐漸減小,曲面變化較陡,其中堿化度為1左右時透光率最大;隨聚合溫度增加,透光率值也是先增大后略有減小,溫度在40~ 50℃之間透光率存在最大值;隨(Si):(Al)增大,透光率仍然先增大后減小,在(Si):(Al)在5附近時透光率有最大值;隨反應時間延長,透光率變化幅度不大,曲面較為平緩,在2h左右,透光率存在最大值.各因素對透光率的影響次序為:>>>,與前面顯著性分析表相吻合.根據(jù)以上曲面分析,有必要從統(tǒng)計學角度優(yōu)化各參數(shù)的取值,使制備的聚硅氯化鋁混凝劑處理廢水性能最優(yōu)[12,15].

圖2 各因素三維響應曲面圖

2.2 優(yōu)化預測及驗證實驗

在以上方差分析及響應面分析基礎上,利用DE-10軟件對影響混凝模擬廢水透光率的各項參數(shù)進行嶺脊優(yōu)化[10,15],得出最優(yōu)工藝參數(shù):堿化度為1.18,(Si):(Al)為5.64,聚合溫度47.40℃,聚合時間2.48h,最佳條件下模型透光率預測值為86.58%.

在以上最佳工藝參數(shù)條件下進行5次平行試驗,實驗結(jié)果透光率依次為83.50%、87.00%、87.50%、85.00%%、89.00%,求平均值得86.40%,相對誤差為0.18%<5%,與預測模型較為一致,說明RSM優(yōu)化模型可靠,優(yōu)化的最佳制備參數(shù)較準確,對PASC混凝劑制備工藝優(yōu)化具有一定指導意義.

2.3 PASC混凝劑混凝性能研究

在上述優(yōu)化出的聚合條件下制備PASC混凝劑以備用,根據(jù)所述處理模擬廢水步驟開展混凝實驗,并以市售聚合氯化鋁(PAC)混凝劑作對比.實驗在室溫條件下進行,并恒定混凝時間為10min,考察對模擬廢水除濁率和zeta電位的變化趨勢.

圖3 投加量對濁度和動電位的影響

2.3.1 投加量的影響 實驗過程中保持pH值為7恒定,變化混凝劑投加量在4~24mL/L范圍內(nèi),實驗結(jié)果如圖3.隨投加量增加,除濁率均不斷上升,最終趨于穩(wěn)定,且PASC混凝指標較市售PAC要好.混凝絮體zeta電位隨投加量增大,|ζ|呈現(xiàn)減小趨勢,且PASC處理后|ζ|較 PAC要小,這是因為PASC中引入帶負電荷的聚硅酸后,使其電中和作用較PAC稍弱[16]; PASC和PAC分別在16mL/L及18mL/L左右達到零電點[17-18].繼續(xù)增大投加量,動電位改變符號,絮體|ζ|會有緩慢增加的趨勢.這是由于混凝劑水解后帶有正電荷,且隨投加量增加正電荷數(shù)量也不斷增加,混凝初期主要發(fā)生雙電層吸附及電中和作用,使污染物顆粒表面動電位降低,當達到零電點時,顆粒凝聚而脫穩(wěn)下沉;超過零電點后,投藥量增加造成絮體正電位增加,呈現(xiàn)出排斥力,但除濁率并沒有下降,反而呈現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)勢,這是因為此時主要以長分子鏈聚硅酸吸附架橋作用為主[15].綜上,PASC和PAC投加量分別確定為20mL/L和24mL/L.

圖4 pH值對濁度和動電位的影響

2.3.2 廢水pH值的影響 實驗過程中保持PASC和PAC投加量恒定,分別為20和24mL/L,變化pH值為5~10,實驗結(jié)果如圖4.隨pH值增大,除濁率均隨pH值增大,呈先增大后減小的趨勢.在pH值為8~9范圍內(nèi),兩類混凝劑處理廢水指標均達最佳,繼續(xù)增大pH值,混凝效果緩慢降低.混凝體系ζ隨pH值升高而逐漸降低,在pH值為7~8范圍內(nèi),體系達到零電點,超過零電點后,體系ζ變號,|ζ|絕對值增大.這是由于變化pH值改善了水中膠體荷電性質(zhì),也決定了混凝劑的水解形態(tài),進而影響到混凝效果[19-20].廢水中污染物通常帶負電荷[21],當pH值在較低范圍內(nèi)時,廢水酸性較強,混凝劑不易水解,造成吸附電中和作用較弱,顆粒難以脫穩(wěn)凝聚,且酸性條件下,聚硅酸不穩(wěn)定,所以混凝效果較差[22];隨著pH值增大,廢水溶液中OH-含量增多,混凝劑中金屬陽離子水解形成單核和多核羥基絡離子,在pH值為8~9范圍內(nèi)除濁率達到最大,這些絡離子和膠體顆粒間發(fā)生雙電層吸附及電中和作用使膠體顆粒脫穩(wěn)凝聚,另外聚硅酸大分子鏈增強了體系絮凝架橋作用,最終形成的絮體大且密實,混凝效果大大增強[23];當pH值過大時,大量OH-與混凝劑中金屬陽離子生成沉淀物,使混凝劑吸附電中和性能大大減弱,導致混凝效果變差[22],此時僅存聚硅酸吸附架橋作用[24-26].

2.4 產(chǎn)品表征分析

2.4.1 X射線衍射分析 圖5為粉煤灰活化酸浸各階段及制備的PASC產(chǎn)品XRD測試結(jié)果,由圖可知,原灰物相主要為莫來石、剛玉及非晶態(tài)玻璃體;焙燒熟料物相主要為霞石和少部分鋁酸鈉,這表明粉煤灰中大部分難溶物相在焙燒過程中已遭到破壞;酸浸渣物相為結(jié)晶氯化鈉,這是由于焙燒及酸浸過程中分別加入了較多Na2CO3及HCl等化學試劑,導致浸出渣中殘留有部分Na+和Cl-所致[27].

PASC混凝劑中除了含有部分氯化鈉衍射峰以外,在2為15°~40°范圍內(nèi)也存在大量非晶衍射峰,即為大分子長程無序物相[28].表明在后續(xù)與聚硅酸混合加堿聚合過程中浸出液參與反應形成了較多無定形聚合物.由于硅酸的聚合是由相鄰硅酸分子上的羥基縮水而引起的,聚合反應過程可形成鏈狀或環(huán)狀分子.上述無定形聚合物即Al3+和其水解物與聚硅酸端基氫氧根之間絡合形成的新的高聚合度無定形結(jié)構(gòu)[29-30].

圖5 XRD分析結(jié)果譜圖

2.4.2 FT-IR光譜測試圖 從圖6紅外測試結(jié)果可看出,粉煤灰原灰在1087cm-1處為Si-O-Si的彎曲振動,在785cm-1處和580cm-1處的吸收峰分別是Al-O的彎曲振動和Fe-O的伸縮振動峰.

各條件下制備的PASC樣品出峰位置基本一致,但聚合條件不同會導致最終峰強存在較大差別.樣品在3363cm-1附近為—OH伸縮振動吸收峰,此范圍內(nèi)存在很多Al—OH、H—OH等配位鍵,且這些大量的羥基之間形成疊加效應;1637cm-1為樣品內(nèi)吸附水、配位水以及結(jié)晶水的H-O-H彎曲振動吸收; 1143cm-1附近的峰為Al-O-Al的伸縮振動吸收峰[28-29];另外在1037cm-1處代表聚硅酸與鋁離子及鋁羥基絡合物間形成的鍵合物Si—O—Al伸縮振動峰,也可能含有O—Si—O鍵存在[31-33].原粉煤灰中785cm-1處和580cm-1處的吸收峰在PASC中已基本消失.由此可見,聚硅酸與鋁離子間存在著成鍵作用,具體表現(xiàn)為Al-OH、Si-OH、H-OH等多羥基聚合物之間的非離子鍵合,這也預示著Al3+和聚硅酸間是通過絡合作用形成的無定形共聚物,而非簡單的兩者混合[15-34].

圖6 紅外光譜分析結(jié)果譜圖

2.4.3 產(chǎn)品掃描電鏡測試 用掃描電子顯微鏡觀察聚硅氯化鋁混凝劑的微觀表面形貌如圖7和圖8所示.可見PASC聚集度較強,呈簇團狀分布[34],這是由于納米級別聚合物擁有的較大比表面積和超高的表面能,會使之自發(fā)團聚成一個集合體.圖中還可以觀察到PASC呈現(xiàn)豐富的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),內(nèi)部包含聚硅酸與Al3+聚集形成的較多枝杈狀長鏈物質(zhì),這也進一步說明了PASC聚合過程中,鋁及其水解形態(tài)與聚硅酸之間存在鍵和作用,使聚合物分子鏈、聚合度不斷延伸[30,35].由于PASC具有的高聚集度和枝化度網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),賦予其較強的粘結(jié)架橋作用,使之易于網(wǎng)捕吸附水中的膠體和細小懸浮顆粒物,最終混凝指標得到增強.

圖7 聚硅氯化鋁混凝劑SEM圖

圖8 聚硅氯化鋁混凝劑SEM圖

3 結(jié)論

3.1 響應面實驗模型的相關(guān)系數(shù)2=0.9984,說明擬合結(jié)果良好,實驗誤差小,優(yōu)化后最佳工藝參數(shù)為:堿化度為1.18,(Si):(Al)為5.64,聚合溫度47.40℃,聚合時間2.48h,此時透光率預測值為86.58%;5次驗證實驗平均值為86.40%,相對誤差0.18%<5%,表明RSM優(yōu)化模型可靠.

3.2 混凝效果隨混凝劑投加量增加,呈現(xiàn)先增大而后趨于穩(wěn)定,PASC和PAC用量分別為20mL/L和24mL/L;隨廢水pH值增大,混凝效果呈先增大后減小,在pH值為8~9范圍內(nèi),混凝效果最好.

3.3 產(chǎn)品表征測試結(jié)果表明PASC是浸出液經(jīng)聚合反應形成的新的高聚集度和枝化度無定形物,聚硅酸與Al3+之間存在Si-O-Al和Al-OH等非離子鍵羥基橋聯(lián)作用,產(chǎn)品形貌呈現(xiàn)簇團狀,具有豐富的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).

[1] 趙 蕾,代世峰,張 勇,等.內(nèi)蒙古準格爾燃煤電廠高鋁粉煤灰的礦物組成與特征 [J]. 煤炭學報, 2008,33(10):1168-1172.

[2] 楊 靜,蔣周青,馬鴻文,等.中國鋁資源與高鋁粉煤灰提取氧化鋁研究進展 [J]. 地學前緣, 2014,21(5):313-324.

[3] 梁振凱,雷雪飛,孫應龍,等.氯化鈣焙燒法提取粉煤灰中的氧化鋁 [J]. 中國環(huán)境科學, 2013,33(9):1601-1606.

[4] Blissett R S, Rowson N A. A review of the multi-component utilisation of coal fly ash [J]. Fuel, 2012,97:1–23.

[5] Yao Z T, Xia M S, Sarker P, et al．A review of the alumina recovery from coal fly ash, with a focus in China [J]. Fuel, 2014,120:74–85.

[6] 張開仕,曾鳳春.利用工業(yè)廢棄物制備聚合硫酸鐵鋁硅混凝劑[J]. 化工學報, 2008,59(9):2361-2365.

[7] 張 瓊,李國斌,蘇 毅,等.復合聚硅酸鋁鐵絮凝劑的形貌結(jié)構(gòu)及性能研究 [J]. 非金屬礦, 2015,38(1):1-4.

[8] 熊麗麗,高 麗,秦冬玲,等.PSAF-PD絮凝劑的研制及在造紙廢水中的應用 [J]. 現(xiàn)代化工, 2016,36(9):104-108.

[9] 王社寧,席啟斐,常 青,等.響應面法優(yōu)化沸石協(xié)同CSAX混凝消除含鋅廢水中的Zn2+[J]. 中國環(huán)境科學, 2016,36(11):3335-3340.

[10] 杜鳳齡,王 剛,徐 敏,等.新型高分子螯合-絮凝劑制備條件的響應面法優(yōu)化 [J]. 中國環(huán)境科學, 2015,35(4):1116-1122.

[11] 徐向宏,何明珠.試驗設計與Design-Expert,SPSS應用 [M]. 北京:科學出版社, 2010:146-160.

[12] 邢 奕,王志強,洪 晨,等.基于RSM模型對污泥聯(lián)合調(diào)理的參數(shù)優(yōu)化 [J]. 中國環(huán)境科學, 2014,34(11):2866-2873.

[13] 劉 靜,蘇秀霞,崔 明.響應面優(yōu)化β-環(huán)糊精對工業(yè)骨膠的除臭工藝 [J]. 化工進展, 2017,36(7):2615-2620.

[14] 王 鵬,魏徳洲.響應曲面法優(yōu)化氨法焙燒后粉煤灰除鐵工藝 [J]. 東北大學學報(自然科學版), 2014,35(11):1617-1621.

[15] Yuan H P, Zhu N W, Song L J. Conditioning of sewage sludge with electrolysis: Effectiveness and optimizing study to improve dewaterability [J]. Bioresource Technology, 2010,101:4285-4290.

[16] 曹百川,高寶玉,岳欽艷,等.聚合硅酸硫酸鐵和聚合硫酸鐵處理黃河水的效果及其絮體特性研究 [J]. 中國科學:化學, 2010,40(4): 399-406.

[17] 閔凡飛,趙 晴,李宏亮,等.煤泥水中高嶺土顆粒表面荷電特性研究 [J]. 中國礦業(yè)大學學報, 2013,42(2):284-290.

[18] 吳 敏,崔秀云,苗茂棟.zeta電位與菌懸液絮凝活性 [J]. 化工學報, 2008,59(9):2263-2269.

[19] 許友澤,成應向,付廣義,等.PSAF-DMDAAC復合絮凝劑的制備及含鉈廢水的處理 [J]. 化工環(huán)保, 2017,37(1):62-67.

[20] 張 瓊,黃曉梅,李國斌,等.聚硅酸鋁鐵絮凝劑處理云南滇池污染水的應用研究 [J]. 水處理技術(shù), 2015,41(2):80-84.

[21] 陳 凌,沙 琳,張正紅,等.聚硅酸鋁鐵(Ⅱ)鎂混凝劑的制備及其對印染廢水的處理 [J]. 水處理技術(shù), 2011,37(12):42-50.

[22] 王愛民,白 妮,王金璽,等.粉煤灰聚硅酸鋁鐵絮凝劑的制備及處理洗煤廢水研究 [J]. 離子交換與吸附, 2017,33(4):350-360.

[23] 張 壘,王凱軍,劉 霞,等.PFS混凝-光催化氧化深度處理焦化廢水試驗研究 [J]. 現(xiàn)代化工, 2014,34(7):77-80.

[24] 苗 晶,岳欽艷,高寶玉.高濃聚合氯化鐵混凝劑的制備及其混凝效果研究 [J]. 工業(yè)水處理, 2002,22(8):22-25.

[25] 鞠佳偉,高玉萍,何 贊,等.pH對鋁鹽絮凝劑形態(tài)分布與混凝除氟性能的影響 [J]. 環(huán)境工程學報, 2015,9(6):2563-2568.

[26] 歐文波,祝 方,賈文珍,等.殼聚糖改性高分子絮凝劑對焦化廢水Zeta電位的影響研究 [J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2015,41(2):4-12.

[27] 晏井春,閆永勝,朱富坤,等.納米聚硅氯化鋁復合絮凝劑的制備、表征與應用研究 [J]. 凈水技術(shù), 2008,27(2):57-61.

[28] 高寶玉,岳欽艷,王 燕,等.復合高分子絮凝劑 [M]. 北京:化學工業(yè)出版社, 2016:22-23,75-77.

[29] 張開仕,曾鳳春,譚 超,等.聚合硅酸硫酸鐵鋁混凝劑的制備表征與混凝性能 [J]. 化工學報, 2013,64(8):3070-3075.

[30] 范劍明,吉仁塔布,李誠誠,等.聚硅酸鋁鐵絮凝劑的制備及其性能研究 [J]. 礦產(chǎn)保護與利用, 2012,4:37-40.

[31] 劉智安,王 娜,劉啟旺,等.不同F(xiàn)e3+/Al3+比復合陽離子絮凝劑聚合硫酸鋁鐵的合成及性能研究 [J]. 中國電機工程學報, 2011, 31(5):90-95.

[32] Sun T, Sun C H, Zhu G L, et al. Preparation and coagulation performance of poly-ferric-aluminum-silicate-sulfate from fly ash [J]. Desalination, 2011,268:270-275.

[33] He L L, Xu X Y. Polymeric Aluminum Ferric Chloride Calcium Composite Flocculant: Preparation, Characteristics and Coagulation Performance [C]. International Conference on Frontiers of Environment, Energy and Bioscience, 2013:734-740.

[34] 方月梅,趙旭德,張曉玲.復合絮凝劑聚硅酸鋁鐵的形貌結(jié)構(gòu)及性能研究 [J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2007,33(10):22-24.

[35] 付 英,高寶玉.聚硅酸鐵對溶解性有機物與濁度的去除 [J]. 中國石油大學學報(自然科學版), 2010,34(1):134-138.

Response surface method optimization of preparation fly ash based polysilicate aluminum chloride coagulant: performance and microstructure characterization.

LAO De-ping1, DING Shu-qiang2*, NI Wen1, LI Xiao-guang2, LI Jia-jie1, GAO Guang-hui2

(1.School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China；2.National Institute of Clean and Low Carbon Energy, Beijing 102211, China)., 2018,38(12)：4599~4607

This paper investigates the factors that influence the preparation of polysilicate aluminum chloride coagulant using coal fly ash and their performance and microstructure. Four factors(basicity,(Si):(Al), polymerization temperature and reaction time) and three levels of response surface experiments were carried out, which regarded the transmittance of Kaolin simulated wastewater as the evaluation index. Results show that the optimum scheme when the basicity was 1.18, the(Si):(Al) was 5.64, the polymerization temperature was 47.40°C, and the reaction time was 2.48 hours. At the optimum theme, the predicted value of transmittance reaches 86.58%, the relative error of all the verification experiments was 0.18%, and the correlation coefficient of the model is 0.9984, which indicated the RSM optimization model is reliable. The performance of coagulant increases continuously with the increase of dosage, and tends to be stable eventually. With the increase of pH of wastewater, it increases first and then decreases. X-ray diffraction test indicates the formation of sodium chloride and new amorphous polymers which through the polymerization reaction of fly ash leachate and polysilicic acid. The infrared tests illustrates that a large amount of nonionic complex state (such as metal-hydroxyl groups) occurs between polysilicate acid and Al3+and it’s hydrolysate. The SEM micrograph shows that the product presents a three-dimensional reticular structure, with high level of aggregation and branches.

coal fly ash；polysilicate aluminum chloride；response surface method；polysilicic acid

X752

A

1000-6923(2018)12-4599-09

勞德平(1988-),男,湖北孝感人,北京科技大學博士研究生,研究方向為工業(yè)固體廢棄物綜合利用.發(fā)表論文5篇.

2018-05-11

神華集團科技創(chuàng)新項目(CF9300160009)

*責任作者, 博士, 高級工程師, dingshuqiang@nicenergy.com