粉煤灰杂化聚丙烯酰胺絮凝剂的制备及其处理煤泥水的应用研究

粉煤灰杂化聚丙烯酰胺絮凝剂的制备及其处理煤泥水的应用研
究
李健;闫龙;亢玉红;刘慧瑾;陈碧;张浪浪
【摘要】以当地电厂产生的废弃物-粉煤灰为主要原料，使其与聚丙烯酰胺杂化制备复合絮凝剂，并对当地洗煤厂产生的煤泥水进行沉降处理研究，通过单因素实验考察杂化比例、投放量、搅拌时间、沉降时间对处理效果影响.实验结果表明：当杂化比例为2∶10，投放量2 g，搅拌时间为5 min，沉降时间20 min时，该条件下煤泥水的COD去除率可达到60.26%，SS的去除率可达到98.31%.%With the local power plant of waste-fly ash as the main raw materials,we made it with polyacrylamide to preparate composite flocculant,and studied the treatment effect of local coal slime water sedimentation. This paper investigated the influence hybrid ratio,collecting volume,stirring
time,settling time through the single factor experiment. The experimental results showed that when the rate of hybridization was 2∶10,collecting volume was 2 g, stirring time was 5 min,settling time was 20 min,under the condition of the coal slime water COD removal rate could reach to
60.26%and the SS removal rate could reach to 98.31%.
【期刊名称】《河南科学》
【年(卷),期】2016(034)010
【总页数】4页(P1668-1671)
【关键词】粉煤灰;聚丙烯酰胺;絮凝剂;煤泥水
【作者】李健;闫龙;亢玉红;刘慧瑾;陈碧;张浪浪
【作者单位】榆林学院化学与化工学院，榆林 719000; 陕西省低变质煤洁净利用
重点实验室，榆林 719000;榆林学院化学与化工学院，榆林 719000; 陕西省低变
质煤洁净利用重点实验室，榆林 719000;榆林学院化学与化工学院，榆林 719000; 陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，榆林 719000;榆林学院化学与化工学院，
榆林 719000; 陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，榆林 719000;榆林学院化学
与化工学院，榆林 719000; 陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，榆林 719000;
榆林学院化学与化工学院，榆林 719000
【正文语种】中文
【中图分类】TQ03
我国是一个富煤，贫油，少气的国家，其中煤炭占我国一次能源的70%左右，煤
炭已成为我国经济发展的“核动力”［1-2］.煤炭工业体系快速的发展刺激着工业经济的不断增长，但同时产生的大量废水也对人类的生活环境造成影响，因此，工业废水的有效处理及回用技术是降低环境污染、节省水资源、实现效益最大化的有效途径之一［3-6］.煤泥水是煤炭洗选过程中的产物，其含有大量的微细粒级颗粒，这些颗粒一般带负电荷，本身难于自然沉降，具有悬浮稳定性，在煤泥水的沉降过程中为提高絮凝及沉降效果一般选用成本较高的聚丙烯酰胺作为絮凝剂［7-11］.
榆林地区发电企业较多，因此电厂废弃物——粉煤灰的产量也较大，研究表明，
由于粉煤灰含有SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO等组分，具有良好的化学活性和吸附性，这为粉煤灰改性制备絮凝剂提供了条件［12-16］.贾艳萍［17］等
比较了不同粉煤灰絮凝剂处理印染废水的效果发现，利用阳离子有机改性剂制备的改性粉煤灰制备工艺简单，对印染废水的处理效果较好.徐德永［18］等利用粉煤
灰基无机絮凝剂在不同煤泥水温度、搅拌速度、搅拌时间、pH值、絮凝剂用量条件下对煤泥水絮凝效果的影响程度，发现搅拌速度和搅拌时间对煤泥水絮凝效果的影响最显著.综合考虑，如将粉煤灰与聚丙烯酰胺通过一定方法制备成复合絮凝剂进一步处理工业废水，将实现以废制废、节能降耗的目的，从而达到“1+1＞2”效果.本文利用粉煤灰杂化聚丙烯酰胺复合絮凝剂对煤泥水进行沉降处理，通过单因素实验得出复合絮凝剂沉降处理煤泥水的最佳工艺条件，实验数据能够为煤泥水处理方案提供一定参考.
1.1 试剂和仪器
主要试剂：粉煤灰（陕西省榆林市国华电厂）；煤泥水（神木金世源洗煤厂）；聚丙烯酰胺、碳酸钠、浓盐酸，均为分析纯.
主要仪器：HJ-4多头磁力搅拌器（江苏国华仪器厂）；SHZ-D循环水式真空泵（河南省予华仪器有限公司）；DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；RJM马弗炉（沈阳市电炉厂）；5B-3BH水质测定仪（兰州连华环保科技有限公司）；JY2001电子天平（上海精密科学仪器有限公司）. 1.2 改性粉煤灰样品的制备
取100 g的粉煤灰和5 g的无水碳酸钠，混合，搅拌均匀后放入马弗炉，待温度达到500℃时保持2 h后使其自然冷却.用浓度为4 mol/L盐酸溶液在油浴锅中将温度控制在100℃搅拌洗涤并保持2 h，待冷却后不断加入蒸馏水洗涤并抽滤，直到洗涤液pH=7时为止，放入干燥箱内烘干待用.
1.3 复合絮凝剂的制备
分别取1，2，3，4，5 g聚丙烯酰胺（PAM）和10 g改性粉煤灰（FCA）（配比分别为1∶10，2∶10，3∶10，4∶10，5∶10）置于入30 mL蒸馏水中，在磁力加热搅拌器上搅拌30 min，过滤后将固体于烘箱中110℃干燥，将物料取出研磨，即的不同杂化比例的粉煤灰-聚丙烯酰胺絮凝剂（FCA+PAM）.
1.4 实验方法
取一定量的絮凝剂置于200 mL煤泥水中进行搅拌、沉降处理，利用单因素实验
考察杂化比例、投放量、搅拌时间、沉降时间对处理效果影响，衡量处理效果指标为化学需氧量（COD）和悬浮物（SS）的去除率.本实验采用5B-3C型COD快速测定仪来直接测定化学需氧量（COD），该仪器配备COD测试光度计和专用消解仪，测试过程中所需药剂D试剂和E试剂由兰州连华环保科技发展有限公司提供，SS值用称量法来测量.
2.1 不同絮凝剂的对比实验
图1表示分别取FCA、PAM、FCA+PAM（1∶10配比）三种絮凝剂1 g加入到200 mL煤泥水中，在搅拌时间5 min，沉降时间为30 min时，对COD、SS去
除率进行对比.
从图1中可以看出，三种絮凝剂处理效果为：FCA+PAM＞PAM＞FCA，
FCA+PAM絮凝剂对煤泥水的COD和SS去除率最高，分别达到56.26%和
97.31%.经分析，利用FCA絮凝剂单独处理废水时，由于其与煤泥水中粒子的电
荷相互排斥作用，不利于吸附沉降，因此其COD和SS去除率较低.当使用
FCA+PAM絮凝剂后，其中的聚丙烯酰胺可以与煤泥水中粒子起到架桥和电荷发
生电中和作用，有利于吸附和絮凝，加之粉煤灰本身具有的吸附性能要强于电荷排斥作用，所以FCA+PAM絮凝剂处理效果最佳.后续实验均利用FCA+PAM絮凝
剂来进行煤泥水沉降实验研究.
2.2 杂化比例对去除率的影响
图2表示在投放量为1 g、搅拌时间为5 min、沉降时间30 min时，考察不同杂化比例对COD、SS去除率的影响.
从图2中可以看出，当杂化比例为2∶10是，絮凝剂对COD和SS去除率达到最大，分别达到了53.79%和96.69%.原因是杂化比例比较小时，是由于架桥没有达
到最高，电荷之间还存在一定的排斥.随着杂化比例的增加，聚丙烯酰胺的量增大，煤泥水中胶体表面的电荷完全中和后，剩余的电荷使胶体表面电荷性质反转，颗粒间斥力增大导致发生再稳现象，反而不利于吸附与絮凝，因此最佳杂化比例为
2∶10.
2.3 投放量对去除率的影响
图3表示在杂化比例为2∶10、搅拌时间为5 min、沉降时间30 min时，考察不同投放量对COD、SS去除率的影响.
从图3中可以看出，当投放量为2 g时，COD和SS去除率都达到了最大值，分
别达到了56.26%和97.12%.当投放量过小时，絮凝剂中Fe、Al成分迅速水解形
成的羟基产物能降低胶体的表面电位，进一步降低胶体间的表面斥力，随着投放量的增大，胶体的表面电位降至最低，絮凝剂的加入使絮凝速度达到最大，此时COD和SS去除率均最高.继续增大投放量，羟基配位离子形成的高聚物将胶体表
面包裹，使胶体间的排斥力增加，再稳作用的产生不利于吸附和絮凝，因此最佳投放量为2 g.
2.4 搅拌时间对去除率的影响
图4表示在杂化比例为2∶10、投放量为2 g、搅拌时间为5 min、沉降时间30 min时，考察搅拌时间对COD、SS去除率的影响.
从图4可以看出搅拌时间为5 min时COD和SS去除率达到最大，分别达到
55.79%和96.98%.原因是搅拌时间过短，絮凝剂未与煤泥水胶体颗粒充分接触，
随着搅拌时间的增加，絮凝剂与胶体微粒达到充分的混合，有利于电中和作用，进一步加速胶体微粒吸附与絮凝.但过长时间的搅拌会打断架桥产生的絮凝物，反而
使去除率下降.
2.5 沉降时间对去除率的影响
图5表示在杂化比例为2∶10、投放量为2 g、搅拌时间为5 min，考察沉降时间
对COD、SS去除率的影响.
从图5中可以看出，沉降时间在20 min以后COD和SS去除率达到了最大值且
基本处于稳定，分别达到了56.19%和97.31%.原因是随着沉降时间的增加，在形成稳定的吸附和絮凝时，去除率一直在增加，当到达临界点时去除率将不再发生变化趋于稳定.
通过前期单因素试验基础，得到处理煤泥水的最佳工艺条件，在该条件下进行沉降实验最终测得COD、SS去除率分别可达60.26%、98.31%.
1）通过实验得出粉煤灰杂化聚丙烯酰胺絮凝剂处理煤泥水的效果优于改性粉煤灰、聚丙烯酰胺.
2）通过单因素实验可得，用FCA+PAM复合絮凝剂处理200 mL的煤泥水，当
絮凝剂杂化比例为2∶10，投入量为2 g，搅拌时间为5 min，沉降时间为20
min时，该最佳工艺条件下实验测得COD、SS去除率分别可达60.26%、
98.31%.
3）粉煤灰杂化聚丙烯酰胺絮凝剂对煤泥水处理具有高效、成本低廉、操作简便的优点.
【相关文献】
［1］孟凡生，孙亚诺，刘丽.我国煤炭资源供给情景分析［J］.中国能源，2016，38（1）：40-42.
［2］牛克洪.未来我国煤炭企业转型发展的新方略［J］.中国煤炭，2014（10）：5-10.
［3］乔丽丽，耿翠玉，乔瑞平，等.煤气化废水处理方法研究进展［J］.煤炭加工与综合利用，2015（2）：18-27.
［4］丛轮刚，南海娟，王翠翠，等.煤化工综合废水处理技术及应用进展［J］.环境工程，2015
（S1）：20-24.
［5］付胜楠.电化学法处理工业废水和生活污水的研究与应用［J］.煤炭与化工，2014（8）：
149-152.
［6］燕明芳.简述工业污水的处理方法［J］.盐业与化工，2016（3）：33-35.
［7］曹学章，冯晔，王晓坤.难沉降煤泥水的沉降试验研究［J］.选煤技术，2011（5）：11-15. ［8］张鲁超，杨乐浩，王明全，等.用煤矸石制备PAFS及处理洗煤废水试验研究［J］.湿法冶金，2015（4）：339-342.
［9］杨小平，赵婷婷，张青霞.洗煤废水处理技术现状与发展趋势［J］.资源节约与环保，2014（7）：163-164.
［10］陈碧，刘侠，张智芳.气相色谱-质谱法测定洗煤废水中有机污染物［J］.广州化工，2015（17）：134-136.
［11］王玉飞，姜超然，闫龙，等.粉煤灰处理洗煤废水的可行性研究［J］.化学工程与装备，2012（8）：201-204.
［12］白妮，王爱民，王金玺，等.粉煤灰制备的聚合氯化铝絮凝剂及其在兰炭废水处理中的应用［J］.硅酸盐通报，2013（10）：2148-2154.
［13］茅勰.粉煤灰絮凝剂制备及其处理废水的研究［J］.化学工程与装备，2015（12）：90-92. ［14］高红莉，李洪涛，张硌，等.粉煤灰絮凝剂种类及其应用研究现状［J］.化工管理，2015（36）：92-95.
［15］王康乐.粉煤灰资源化再生利用技术研究［D］.西安：长安大学，2014.
［16］戴江洪，曾青云.粉煤灰絮凝剂的制备及其在废水处理中的应用［J］.湿法冶金，2006，25（3）：120-123.
［17］贾艳萍，宗庆，张兰河，等.粉煤灰絮凝剂的制备及其在印染废水处理中的应用进展［J］.硅酸盐通报，2015（3）：733-737.
［18］徐德永，徐岩，康华.粉煤灰基无机絮凝剂絮凝效果影响因素分析［J］.选煤技术，2015（1）：5-8.。