摘要
预计到2020年，我国粉煤灰每年的排放量将达到9亿吨，累计堆存量将达到30亿吨，既占用大量土地资源，又对生态环境产生巨大威胁，同时造成二次资源的浪费。我国拥有丰富的高铝粉煤灰资源，主要分布在内蒙古中西部和山西北部，其氧化铝和二氧化硅含量之和达到70～80％以上，但其中含有的大量钙、铁等杂质元素对后续的高值化利用产生巨大的不利影响。本文以某高铝粉煤灰为研究对象，利用XRF、XRD、SEM-EDS、FT-IR和粒度分析等多种测试手段，从高铝粉煤灰的矿相特性入手，研究了高铝粉煤灰除钙除铁行为和除杂酸浸液制备聚合氯化铝铁及产品表征。论文得到的主要结论如下: 在确定高铝粉煤灰的化学成分和矿相特性的基础上，系统研究了不同酸种类和反应参数对高铝粉煤灰的除钙除铁性能的影响规律，并建立了最佳的除钙除铁条件。流化床高铝粉煤灰中CaO和Fe2O3含量较高，分别达到11.03％和3.43％;主要矿相为莫来石和石英，含钙矿物为硫酸钙和钙铝黄长石，含铁矿物为赤铁矿;微观形貌主要为不规则的熔融颗粒，结构蓬松，粒度不均，片状粘连在一起形成絮状。酸浓度在2～10mol/L范围内，粉煤灰除杂效果先升高后降低;反应温度在60～100℃范围内，粉煤灰除杂效果先升高后降低;反应时间在1.0～3.0h范围内，除杂效果先升高后不变;液固比对除杂效果影响较小。高铝粉煤灰除钙除铁最佳工艺条件为:选择盐酸为除杂剂、酸浓度为6mol/L、反应温度为80℃、反应时间为2.0h、液固比为4。在此条件下除钙除铁后的粉煤灰中CaO含量为0.69％、Fe2O3含量为0.65％，除钙率和除铁率分别达到95％和85％以上。 计算了高铝粉煤灰除钙除铁反应动力学，并利用粒度、XRD、SEM等手段研究了除钙除铁过程中主要矿相的演变行为及除钙除铁机理。高铝粉煤灰除钙除铁反应受内扩散控制，除钙反应的表观活化能为25.61kJ·mol-1，反应速率方程为:1-2α/3-(1-α)2/3=32.46×exp(-25610/RT)×t;除铁反应的表观活化能为31.84kJ·mol-1，反应速率方程为:1-2α/3-(1-α)2/3=79.84×exp(-31840/RT)×t。除钙除铁后的高铝粉煤灰只有莫来石相和石英相，粉煤灰中铁矿相和钙矿相消失。由于粉煤灰中的玻璃相较多，钙、铁杂质仍存在少量的残留。 研究了不同碱化剂、溶液成分和反应条件对除钙除铁酸浸液制备聚合氯化铝铁性能的影响规律，并确定了最佳的工艺参数。最佳工艺条件为:以氢氧化钠为碱化剂，Al/Fe摩尔比为15，pH为3.0，聚合温度为85℃，聚合时间为3.0h。在此条件下，处理高岭土模拟水样浊度去除率能达到90％以上。制备的聚合氯化铝铁产品在处理废水时pH应用范围较广，在6～8范围内浊度去除率均能达到90％以上;投入量在100～150mg/L范围内絮凝性能良好。 最后对制备的聚合氯化铝铁产品进行了结构表征。制备的聚合氯化铝铁固体产品为黄色，氧化铝含量为29.7％，氧化铁含量为3.6％，盐基度为64.3％，均符合国家标准;XRD和红外光谱表明聚合氯化铝铁产品中的铝、铁得到了有效的聚合，既有以羟基络合铝的聚合物，又有羟基络合铁的聚合物;聚合氯化铝铁产品为链网状立体结构，而且孔隙较多，这种结构增大了比表面积，且孔隙度比较大，增强了吸附架桥作用，产品具有良好的网捕卷扫能力。
NETL