源于钛白粉废料的含钛混凝剂的效果及污泥特性

第39卷第*期精细化工Vol.39,No.*2019年*月FINECHEMICALS*.2019收稿日期：2018-07-03;定用日期：2018-00-00;DOI:10.13550/j.jxhg.20180490基金项目：国家自然科学基金（51808257）;山东高校科技计划项目（L15LG04）作者简介：付英（1970—），女，教授，E-mail：[e-mail]。水处理技术与环境保护源于钛白粉废料的含钛混凝剂效果及污泥特性付英1，黄鑫1，苏漫漫1，狄勇2（1.济南大学土木建筑学院，山东济南250022；2.山东省淮河流域水利管理局规划设计院，山东济南250199）摘要：以钛白粉生产中的废酸压滤饼(WAFC)为主要原料，制得聚合钛铁(M-PTF)混凝剂。利用SEM、XRD和FTIR考察了其微观特征，并采用荧光显微镜(FM)、烧杯实验对比了M-PTF与聚合铝(PAC)处理生活污水的效果及污泥特性。结果表明，M-PTF表面是由不规则样与晶状样组成的多形态结构的立体网状聚合物组成，表面积较大，且呈现粗糙状。当投药量均为2mmol/L时，M-PTF对有机物(耗氧量，CODCr)去除率比PAC高29%，污泥初期沉降速率(44mL/min)远大于PAC(4mL/min)。M-PTF污泥呈蓬松且紧密连接的棉花团状态，边界清晰，含水量较小，而PAC形成了边界不清晰且近乎透明的松散状絮团。M-PTF污泥体积远小于PAC，其含水率比PAC低1.11%~2.41%，对应的污泥体积下降了71.28%~84.38%，降低了浓缩和脱水的成本及难度。关键词：Ti；Fe；混凝剂；微观特征；混凝性能；污泥特性；水处理技术与环境保护中图分类号：X75;TU991.22文献标识码：A文章编号：CoagulationPerformanceandSludgePropertiesofaCoagulantContain-ingTitaniumDerivedfromTitaniumDioxideWasteFUYing1,HUANGXin1,SUMan-man1,DIYong2(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,UniversityofJinan,Jinan250022,Shandong,China;2.HuaiheRiverBasinWaterResourcesManagementBureauofShandongProvince,Jinan250199,Shandong,China)Abstract:Anewcoagulant,poly-Ti-Fe(M-PTF),waspreparedusingakindofwasteacidfiltercake(WAFC)whichwasderivedfromproductionprocessoftitaniumdioxideasrawmaterial.ThemicroscopiccharacteristicsofM-PTFwerecharacterizedbySEM,XRDandFTI.AndcoagulationperformanceandsludgepropertiesofM-PTFintreatingadomesticwastewaterwerestudiedusingJartestandfluorescencemicroscope(FM),comparedwiththoseofpolyaluminumchloride(PAC).TheresultsshowedthatthesurfaceofM-PTFwascomposedofirregularandcrystalline-likestructures,andappearedtoberoughandpolymorphousnetworkshavinglargersurfacearea.Atadosageof2mmol/L,M-PTFgave29%higherorganicmatter(chemicaloxygendemand,CODCr)removalthanPAC,andhadfargreatersludgesettlingrateatstartingpoint(44mL/min)thanPAC(4mL/min).M-PTFsludgewasasortoffluffyandclose-ly-connectedcatkins-like/cotton-likeimageswithwell-definedboundaryandlowerwatercontent,whilePACsludgealmostwasasortoftransparentlooseflocswithoutwell-definedboundary.Inaddition,thesludgevolumeofM-PTFwasmuchsmallerthanthatofPAC,thewatercontentofM-PTFsludgewaslower1.11%~2.41%thanthatofPACsludge,correspondingtoitssludgereductionof71.28%~84.38%basedonthesludgevolumeofPAC,whichwaslargelybeneficialtosubsequentconcentratingandde-watering.Keywords:Ti;Fe;coagulant;microscopiccharacteristics;coagulationperformance;sludgeproperties;watertreatmenttechnologyandenvironmentalprotection·2·精细化工FINECHEMICALS第35卷Foundationitems:NationalNaturalScienceFoundationofChina(51808257);ShandongProvinceHigherEducationalScienceandTechnologyProgram(L15LG04)混凝是众多水处理技术中应用最普遍的单元操作之一，其中混凝剂是主体物质[1]，如何降低混凝剂成本并提高混凝效率，在水处理行业仍起着至关重要的作用。由于经济快速发展，我国成为固废污染严重的国家之一，故利用固废制备无机或有机混凝剂符合“以废治废”和“循环经济”的持续发展思路，是很有前景的研究方向[2-4]。钛在地壳中的储量仅次于铁、铝、镁，中国钛蕴藏量居世界第一[3]。钛的一个重要应用是制备钛白粉，而钛白粉被认为是世界上性能最好的白色颜料[6]。中国不仅是世界最大的钛白粉生产国，也是世界最大的钛白粉消费国[7]。中国钛白粉生产主要为硫酸法，该过程产生大量废物及副产物[8]，废酸压滤饼（WAFC）是其中之一[8-9]，主要成分包括钛、铁、硅等元素。众所周知，铁、硅、钛均是制备无机混凝剂的重要元素[1,3,10]，且均无毒。因此采用含钛、铁为主要元素的WAFC制备M-PTF具有坚实的理论和实践基础。近些年，随着中国城镇化进程的迅速加快，污水和污泥产量急剧增加[11]。到目前为止，中国大部分污泥仍是埋地处置，是土壤的潜在污染源之一。中国多数污水厂每天排放的污泥含水率均在99%以上，深度脱水难度较大，出现许多大中城市“污泥淹城”现象，给生态环境带来严重隐患。因此，污泥处理已成为水处理行业的瓶颈问题，较高的污泥处理费用使许多先进技术止步不前。因此数量巨大的含水量较大的污泥成为中国未来急需处理的技术难题，降低污泥量成为人们追寻的目标[12]。目前，国内外对于污泥减量化进行了大量研究[12-16]，主要涉及对生物污泥减量的研究与探索[15-16]，而对于化学污泥减量研究的较少。基于中国的经济现状，在传统的混凝基础上进行化学污泥的减量化研究仍具有重要意义，而源头减量化主要涉及优质混凝剂的研发。PAC是目前中国水处理领域采用较多的净水剂，具有优异的处理效果[1,17]，但去除有机物方面一直不甚理想[18-19]，且形成的絮体沉降速度慢，污泥含水率高，脱水较为困难，给后续的污泥浓缩脱水带来很大技术负担[20]，也提高了处理成本。为利用钛白粉制备过程中产生的废料，并且克服上述PAC的弱点。本文以WAFC为主要原料，采取酸浸碱聚法制备M-PTF混凝剂，同时研究其微观特征，并对处理生活污水的效果以及污泥的实际形貌、沉降行为及含水率等特性进行了分析。目的是提高混凝效果的同时，达到污泥减量化并降低后续污泥浓缩脱水难度。本工作为采用固体废弃物制备混凝剂进行化学污泥的减量化研究提供了一定的理论基础及基本数据。1实验部分1.1试剂与仪器WAFC，其中，TiO2质量分数为70%～73%，Fe2O3质量分数为7%～9%，工业废料，济南裕兴化工有限责任公司；氢氧化钠，AR，国药集团化学试剂有限公司；固体PAC〔w(Al2O3)=29%〕购自河南巩义。VD8ADVANCE型X射线衍射仪，德国BRUKER-AXS有限公司；Nicolet380红外光谱仪，美国Nicolet公司；日立S-2500扫描电子显微镜，日本Hitachi公司；ECLIPSE80i荧光显微镜，日本Nikon公司；ZR4-6型六联混凝试验仪，深圳中润水工业技术发展有限公司；2100AN台式浊度仪，美国HACH公司。1.2方法1.2.1M-PTF的制备[3,9]首先，将WAFC（图1a）与少量水混合成浆液，在100℃及搅拌下，将质量分数为80%的浓硫酸加到上述浆液中浸取1h，得到浸取液，其中滤渣干燥后称重得到滤渣的质量分数为10%~13%。将浸取液稀释2倍，过滤，得到滤液。然后，将浓度为17mol/L的NaOH缓慢加到上述滤液中，将其pH调节为0.5，于40℃[9]加热15min后，降至室温静聚24h，制得液体M-PTF（图1b），并采用二安替吡啉甲烷法、邻菲罗啉比色法和密度计直接测量法分别测出其TiO2的质量分数为第*期作者等:文章题目·3·12.98%、Fe2O3的质量分数为0.45%、密度为1.35×103kg/m3。将液体M-PTF置于70℃烘箱中干燥24h，研磨成粉末状固体（图1c）。图1WAFC(a)、液体M-PTF(b)与固体M-PTF(c)实物图Fig.1PicturesofWAFC(a),liquidM-PTF(b)andsolidM-PTF(c)1.2.2M-PTF微观特性与其他金属混凝剂类似，M-PTF投加到水中，立刻水解成系列带正电的水解产物[21-22]，然后与带负电的污染物进行电中和/脱稳等系列反应，沉淀后形成含有大量水分的污泥，污泥含水量的大小对其浓缩、脱水等后续处理影响很大。而污泥含水性能除了与污染物性质相关外，还与M-PTF自身特征有密切关系。采用SEM对比WAFC和固体M-PTF的表面形貌，电压为10kV。分别采用XRD和FTIR对固体M-PTF的物相和键结构特征进行分析。XRD：角度重现性0.0001°，角度分辨率0.02°，扫描速度5（°）/min；IR：分辨率0.5cm-1。1.2.3M-PTF混凝效果采用烧杯实验、荧光显微镜（FM）对M-PTF效果及污泥表观形貌、沉降行为和含水率进行考察，以综合分析其污泥特性。实验水样：取自济南大学校园生活污水，水质如下：浊度=74.6~182NTU，色度=1.12~1.14CU，pH=8.16~8.45，温度=15℃，CODCr质量浓度为620.16~654.2mg/L。烧杯实验：以M-PTF与PAC为混凝剂，由于二者没有共同的主要金属元素，为较合理地对比，投药量M-PTF以水样中的钛浓度计，PAC以水样中的铝浓度计，投药量取2.0~4.5mmol/L。混凝程序：混合速度和时间为200r/min和1min；絮凝速度和时间为60r/min-10min，40r/min-5min；沉淀15min；从距液面2~3cm处取得水样，采用浊度仪及重铬酸钾法测浊度、色度及CODCr去