以低品位赤鐵礦、鹽酸、硫酸和硅酸鈉為原料，制備了聚硅氯化硫酸鐵（PSFCS）混凝劑，對合成過程及工藝條件進行了研究。通過正交實驗考查了混合酸的溫度及濃度、浸出時間和液固比對鐵浸出率的影響。并討論了硅酸活化pH值、硅酸活化時間、Fe/Si摩爾比、陳化時間等因素對合成產(chǎn)物PSFCS的絮凝性能的影響。結(jié)果表明，PSFCS絮凝性能良好，能有效去除印染廢水中的濁度和CODCr，最高去除率分別為95.5%和80.2%。
???? 聚硅氯化硫酸鐵（PSFCS）是一種高效復(fù)合無機高分子混凝劑，是將金屬離子引入到活性硅酸上而制得的復(fù)合型混凝劑。赤鐵礦是一種氧化鐵礦，分選比較困難，其主要有用化學(xué)成分是Fe2O3以及少量的FeO等，要想使鐵的含量達到煉鐵的入爐要求，則選礦成本往往較高?；诨炷齽┑男枨罅恐鸩皆龃?，將低品位赤鐵礦用于混凝劑的合成是一種值得探索的途徑。目前尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)報道。
??? 一、實驗方法
??? （一）主要儀器及原料
??? DBJ-621型六聯(lián)定時變速攪拌機，用于定時、定速攪拌；79HW-1型恒溫磁力攪拌器，用于調(diào)控溫度和攪拌；WG2-200型散射式濁度儀，用于測定濁度；pHS-3C型酸度計，用于測定pH值；赤鐵礦溶出的Fe3＋濃度，采用二氯化錫還原，以二苯胺磺酸鈉為指示劑，重鉻酸鉀滴定法測定。采用重鉻酸鉀法測定COD。
??? 赤鐵礦取自江蘇某鐵礦[w（Fe）＝55%]；鹽酸為化學(xué)純[w（HCL）＝37%]；硫酸為工業(yè)品[w（H2SO4）＝98%]；硅酸鈉為工業(yè)品[w（SiO2）＝26%，模數(shù)3.1，ρ＝1.36㎏/L]。磷酸二氫鉀和亞硝酸鈉為化學(xué)純。實驗用水為自來水。廢水取自江蘇某印染廠，廢水水質(zhì)：CODCr為316.8mg/L，濁度為144.4NTU，pH值為9.0，其組分以活性燃料為主，呈墨黑色。
??? 原礦性質(zhì)：礦石中主要金屬礦物為赤鐵礦，其次為磁鐵礦、褐鐵礦。赤鐵礦嵌布粒度較細(xì)，磁鐵礦主要呈自形晶粒狀，嵌布粒度較粗，被赤鐵礦交代，常與赤鐵礦一 起充填于脈石礦物裂隙中，褐鐵礦主要由赤鐵礦氧化蝕變而成，基本保留原赤鐵礦的嵌布特征。脈石礦物以石英為主，并含有少量云母、石榴子石、綠泥石等。其結(jié) 構(gòu)為粗中粒砂狀結(jié)構(gòu)、接觸-充填式膠結(jié)，砂粒成分以石英為主，磁鐵礦次之，被少量石榴子石、綠泥石等充填式膠結(jié)，石榴子石呈自形晶粒狀，與鐵礦物密切伴 生，以膠結(jié)物形式產(chǎn)出。
??? 精礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果列于表1。礦粉粒徑小于0.1mm，鐵礦物主要呈單體和連生體。
表1? 精礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%
|
TFe
|
SFe
|
FeO
|
SiO2
|
Al2O3
|
CaO
|
MgO
|
|
55.02
|
54.76
|
8.85
|
18.26
|
2.13
|
0.28
|
0.31
|
??? （二）PSFCS混凝劑的制備
??? 取一定量的赤鐵礦粉，加入適量不同濃度的混合酸，控制液固比為3.0～4.5，在80～110℃加熱攪拌，加熱過程中分別加入適量穩(wěn)定劑KH2PO4和催化劑NaNO2并 通入氧氣氧化，反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)冷卻、過濾，得聚合氯化硫酸鐵溶液。鹽酸稀釋至3～6mol/L，硫酸稀釋至6～12mol/L，二者再按1∶1混合；采取二 級逆流串級，即分兩段浸出；一段浸出液再進入二段與新鮮赤鐵礦混合，二段濾渣進一段與新鮮的混酸混合。一段浸出時間為1～2.5h，二段浸出時間為1h。 KH2PO4加入一段，NaNO2加入二段。
??? 將一定量的硅酸鈉溶入水中，配成130～150mg/L的硅酸鈉溶液，用稀硫酸調(diào)節(jié)其pH值，控制pH＝2，在室溫下活化一定時間，再加入用赤鐵礦制備的聚合氯化硫酸鐵溶液，陳化2h左右，即得PSFCS混凝劑。
??? （三）用PSFCS處理印染廢水
??? 在燒杯中先加入水樣100mL，再加入一定量的混凝劑PSFCS，用DBJ-621型定時變速攪拌機，先以160r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2min，使混凝劑 充分分散在廢水中，隨后降低轉(zhuǎn)速至40r/min，攪拌10min，然后轉(zhuǎn)入100mL量筒中，靜置20min后，取距液面25mm處澄清液分析水質(zhì)的濁 度和CODCr。
??? 二、實驗結(jié)果與討論
??? （一）聚合氯化硫酸鐵溶液制備條件
??? 實驗采用部分正交實驗設(shè)計。通過探索試驗，預(yù)先確定了4種影響因素及考查范圍。酸浸出溫度為80～110℃，硫酸濃度為3～6mol/L，鹽酸濃度為1.5～3mol/L，酸浸時間為2～3.5h（1、2段總和），液固比為3∶1～4.5∶1。選用正交表L16（45），每一因素考查4個水平，因素及水平見表2，正交實驗結(jié)果見表3，表中第5列為空白列，用于估計實驗誤差及方差分析，方差分析結(jié)果見表4。各因素下鐵浸出率統(tǒng)計平均值見圖1。
表2? 鐵浸出率正交實驗因素及水平
|
水平
|
A
|
B
|
C
|
D
|
|
酸浸溫度/℃
|
硫酸＋鹽酸濃度/（mol·L－1）
|
酸浸出時間/h
|
液固比（質(zhì)量比）
|
|
|
1
2
3
4
|
80
90
100
110
|
3＋1.5
4＋2
5＋2.5
6＋3
|
2
2.5
3
3.5
|
3∶1
3.5∶1
4∶1
4.5∶1
|
表3? 鐵浸出率正交實驗結(jié)果
|
列號
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
鐵浸出率/%
|
|
A
|
B
|
C
|
D
|
空白
|
||
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
|
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3
4
4
4
4
|
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
|
1
2
3
4
2
1
4
3
3
4
1
2
4
3
2
1
|
1
2
3
4
3
4
1
2
4
3
2
1
2
1
4
3
|
1
2
3
4
4
3
2
1
2
1
4
3
3
4
1
2
|
41.0
63.7
86.5
94.1
73.3
78.3
68.1
82.0
84.8
94.5
70.2
64.2
73.5
66.9
94.6
83.1
|
|
k1
k2
k3
k4
|
71.3
75.4
78.4
79.5
|
68.2
75.9
79.9
80.9
|
68.2
74.0
80.1
82.6
|
60.1
72.4
84.4
88.0
|
78.0
74.9
75.6
76.1
|
|
|
R
|
8.2
|
12.7
|
14.4
|
27.9
|
3.1
|
表4? 鐵浸出率方差分析表
|
方差來源
|
平方和
|
自由度
|
均方
|
F值
|
顯著性
|
|
A
B
C
D
誤差
|
161.5
399.5
500.0
1920.5
21.2
|
3
3
3
3
3
|
53.8
133.2
166.7
640.2
7.1
|
7.6
18.9
23.6
90.8
|
*
*
**
|
|
總和
|
3002.7
|
15
|
F0.05（3，3）＝9.28
|
||
圖1? 鐵浸出率正交實驗結(jié)果k值圖
??? 根據(jù)圖1正交實驗結(jié)果k值的變化趨勢可以看出，4種影響因素均為4水平時鐵的浸出率最高。對于A因素（酸浸溫度），溫度升高有利于加快鐵的溶出速度，且有 助于水解和聚合反應(yīng)，基于采用混合酸浸出，單一酸的濃度較低，不易揮發(fā)，可以取較高溫度，所以將A因素定為4水平，即酸浸溫度取110℃.隨酸的濃度（B 因素）提高，鐵的浸出率增大，但當(dāng)濃度大于3水平后，鐵的浸出率上升幅度減少，所以將B因素定為3水平，即硫酸濃度為5mol/L，鹽酸濃度取 2.5mol/L。鐵的浸出率與C因素（酸浸出時間）成正比，但浸出時間對浸出率的貢獻較小，因此將C因素定為3水平，即酸浸出時間取3h。隨著D因素 （液固比）的增大，鐵浸出率隨之升高。因為液固比提高后，反應(yīng)的液固接觸面積增加，但同時意味著酸的過量系數(shù)加大，在鐵浸出率升高的同時將會引起鹽基度的 下降，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的堿化度降低；此外還會引起酸耗增加、產(chǎn)品中游離酸增多、成本上升，因此D因素定為3水平。即液固比取4。
??? 按照以上分析可得，最佳水平為A4B3C3D3。以最佳水平安排了兩組驗證實驗，鐵的浸出率分別為95.1%和94.3%。
