專利名稱：矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝和該工藝制備出的聚硅鋁鐵絮凝劑的制作方法
矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝和該工藝制備出的聚硅鋁
鐵絮凝劑技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物質(zhì)的制備工藝和根據(jù)該工藝制備所得的物質(zhì)，特別是從煤矸石或者 粉煤灰中制備聚硅鋁鐵絮凝劑的工藝方法，以及用該工藝制備出的聚硅鋁鐵絮凝劑。背景技術(shù)：
近年來，在能源危機(jī)和資源危機(jī)日益嚴(yán)重的情況下，利用廢棄物中含量較高的有用元 素，以工業(yè)廢棄物為原料制備高效混凝劑，充分利用可開發(fā)資源是當(dāng)今世界混凝劑研究發(fā) 展的主要潮流之一。變廢為寶，以廢治廢，是環(huán)境治理及廢物再資源化最有前途的發(fā)展方 向。矸石基原料主要包括煤矸石和粉煤灰。我國是全球最大的煤開采國，隨煤的開采被帶 到地面的煤矸石，已成為最大的固體廢物源，因此煤矸石的綜合處理已成為人們非常關(guān)注 和亟待解決的問題。煤矸石中含有大量的鐵、硅、鋁等元素，利用其合成無機(jī)絮凝劑近年來 已引起人們極大的研究熱情。而粉煤灰是經(jīng)過電廠高溫灼燒后的產(chǎn)物，其中硅、鋁、鐵元素 可以溶出，因此利用粉煤灰制備各種絮凝劑近年來也是絮凝劑領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)?；钚怨杷峤饘冫}類絮凝劑中主要包括聚硅鋁鐵、聚硅鋁與聚硅酸鐵，三者比較，聚 硅鋁鐵在絮凝效果上更占有優(yōu)勢。目前，國內(nèi)外矸石基原料工業(yè)化制備聚硅聚硅鋁鐵絮凝劑的合成方法主要有
1、聚合鋁鐵加入到制備好的聚合硅酸中形成聚硅鋁鐵國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局2006年7月 26日授權(quán)公告，授權(quán)公告號(hào)CN1266038C的發(fā)明專利《聚聚硅鋁鐵的合成方法》中公開的一 種合成工藝，該工藝將制備的硫酸鐵加入到粉煤灰酸提液中，在固體Na2C03攪拌的條件下 靜置后形成聚合鋁鐵，繼之加入到制備好的聚合硅酸中形成聚硅鋁鐵成品。該種制備方法 要使用大量的含鐵原材料，且制備工藝繁瑣，所得出的聚硅鋁鐵絮凝劑聚合度較低，處理效 率及處理水平有限。需要對(duì)粉煤灰在活化劑參與下經(jīng)高溫焙燒(80(T85(TC，ri2h)，以溶出 其所含硅、鋁、鐵元素，所需能源較大。2、制備聚硅酸鋁后外加鐵鹽得到聚硅鋁鐵絮凝劑矸石基原料制備聚硅酸鋁的工 藝，如國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局于2008年1月16日公布的申請(qǐng)?zhí)枮镃N200710137852. 5的《從煤矸 石制備活性炭-氧化物復(fù)合吸附材料及聚硅鋁的工藝方法》發(fā)明專利申請(qǐng)中所公開的工 藝步驟，該工藝步驟包括煤矸石配料、活化、堿提活化加熱回流、酸提活化加熱回流、水洗烘 干、常溫熟化、干燥。但該種工藝只能提取煤矸石中的硅、鋁成份，且提取效率低，如要得到 聚硅鋁鐵絮凝劑，還需額外加入鐵鹽，增加制備成本。且該種工藝需兩次加熱回流，水資源 浪費(fèi)巨大。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種矸石基原料中制備聚硅鋁鐵 的工藝，該種工藝可以從矸石基原料中直接制備聚硅鋁鐵，且節(jié)省水、熱力等資源。本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案是
一種矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝，其特征在于以矸石基物料為主要原料制備無 機(jī)高分子絮凝劑——聚硅鋁鐵，在合成過程中，采取加熱加壓下堿提、加熱加壓下酸提、加熱情況下緩慢濃縮聚合，其具體工藝步驟如下
(1)備料活性矸石基原料；
(2)加熱加壓下堿提在步驟1的活性原料中加入159T30%Na0H溶液，與煤矸石細(xì)粉液 固重量比為2 1到6 1 ；反應(yīng)時(shí)間2h，溫度100°C 150°C，壓力為5兆帕 10兆帕，固液分 離，收集的濾液即為堿提液；
(3)加熱加壓下酸提在步驟2的濾渣中加入109^20%濃度的無機(jī)酸溶液，液固重量比 為2 :1到6 :1 ；反應(yīng)時(shí)間2h，溫度100°C 150°C，壓力為5兆帕 10兆帕，固液分離，收集的 濾液即為酸提液，調(diào)整所得酸提液的體積等同于步驟2所得堿提液；
(4)加熱情況下緩慢濃縮聚合將步驟3所得酸提液逐滴加入到步驟2所得堿提液中， 所述酸提液與堿提液的體積比為1 :1到2 1 ；反應(yīng)溫度70°C 100°C，靜置待得到黃褐色半 固體物質(zhì)。上述步驟3中的無機(jī)酸溶液是指鹽酸、硫酸的任意一種或任意比例的混合酸。上述步驟4中調(diào)整溶液pH為3 4。上述步驟1中的矸石基活性原料為粉煤灰。上述步驟1中的矸石基活性原料制備工藝為煤矸石粉碎磨細(xì)，加入活化劑混合 均勻，將上述混合料600°C、00°C加熱焙燒，保溫1小時(shí)得矸石基活性原料。上述活化劑為Na2C03，與煤矸石細(xì)粉重量比例為3 :4。上述活化劑為CaC03，與煤矸石細(xì)粉重量比例為3 :4。上述活化劑為1 1比例混合的CaC03與NaOH，混合物與煤矸石細(xì)粉重量比例為3 4。權(quán)利要求1的矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝所制備出聚硅鋁鐵絮凝劑，其特征 在于為黃褐色半固體物質(zhì)，其中硅含量為209^30%，鋁含量為159^21%、鐵含量為6% 15%。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、原材料單一，無需加入其它含鐵原材料，節(jié)約成本；
2、加熱、加壓堿溶和加熱、加壓酸溶的工藝，提高了矸石基原料硅、鋁、鐵元素提取效 率，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量；
3、無需加熱回流，節(jié)省水資源，簡化工藝，使之更適合于工業(yè)化生產(chǎn)；
4、加熱情況下逐滴混合，緩慢熟化，濃縮聚合所得聚硅鋁鐵絮凝劑聚合度好，處理效率 及處理水平高，水處理用藥量小于常規(guī)方法制備的聚硅鋁鐵絮凝劑。
具體實(shí)施方式
傳統(tǒng)工藝?yán)妹喉肥蚍勖夯抑苽渚酃桎X鐵絮凝劑的工藝流程步驟如下
(1)備料粉煤灰或者粉碎磨細(xì)煤矸石，加入1.5倍的Na2C03粉末；
(2)活化將上述物料600-850°C加熱焙燒，保溫4小時(shí)得矸石基活性原料；
(3)堿提在步驟2的活化料中加入15%Na0H溶液，與物料液固重量比為51 ；反應(yīng)時(shí) 間2h，溫度100°C，常壓下加熱回流2h，抽濾，收集的濾液即為堿提液；
(4)酸提在步驟3的濾渣中加入15%HC1溶液，液固重量比為51 ；反應(yīng)時(shí)間2h，溫度 100°C，常壓下加熱回流2h，抽濾，收集的濾液即為酸提液；
(5)根據(jù)所需處理廢水性質(zhì)加入適量硫酸鐵；
(6)熟化將步驟4所得酸提液加入到步驟3所得堿提液中，酸提液與堿提液的體積比為1:1 ；保持常溫，靜置待得到棕黃色液體。本發(fā)明的實(shí)施例1，利用煤矸石制備聚硅鋁鐵絮凝劑，具體步驟如下
(1)配料矸石基原料為煤矸石15g，粉碎磨細(xì)，加入與物料體積比3:4的CaCO3混合均
勻；
(2)活化將上述物料600°C加熱焙燒，保溫1小時(shí)得矸石基活性原料；
(3)加熱加壓下堿提在步驟2的活化料中加入15%Na0H溶液，與煤矸石細(xì)粉液固重量比為2 1 ；反應(yīng)時(shí)間2h，溫度100°C，壓力5兆帕，固液分離，收集的濾液即為堿提液；
(4)加熱加壓下酸提在步驟3的濾渣中加入10%HC1溶液，液固重量比為21 ；反應(yīng)時(shí) 間2h，溫度100°C，壓力5兆帕，固液分離，收集的濾液即為酸提液，調(diào)整所得酸提液的體積 等同于步驟3所得堿提液；
(5)加熱情況下緩慢濃縮聚合將步驟4所得酸提液逐滴加入到步驟3所得堿提液中， 所述酸提液與堿提液的體積比為1 :1 ；反應(yīng)溫度70°C，調(diào)整溶液pH為;Γ4，靜置2h后得到 黃褐色半固體。該種工藝方案中使用CaCO3活化，成本價(jià)格低廉，沉降快。本發(fā)明實(shí)施例2，利用煤矸石制備聚硅鋁鐵絮凝劑，其中，步驟1中加入活化劑為 與物料體積比3 4的Na2CO3 ；加熱焙燒溫度為800°C ；NaOH溶液濃度為30%，HCl溶液濃度 為20%，酸提、堿提中酸堿與煤矸石細(xì)粉的液固重量比均為6 1 ’溫度150°C，壓力10兆帕； 濃縮聚合步驟中的酸提液與堿提液的體積比為2 1，反應(yīng)溫度100°C，靜置2h后得到黃褐色 半固體。其余參數(shù)步驟同實(shí)施例1。本發(fā)明實(shí)施例3，利用煤矸石制備聚硅鋁鐵絮凝劑，其中，步驟1中加入活化劑為 與物料體積比3 :4的1 1比例混合的CaCO3與NaOH ；加熱焙燒溫度為700°C ；NaOH溶液濃度 為20%，H2SO4溶液濃度為15%，酸提、堿提中酸堿與煤矸石細(xì)粉的液固重量比均為4 1 ；溫度 120°C，壓力8兆帕；濃縮聚合步驟中的酸提液與堿提液的體積比為1. 5 :1，反應(yīng)溫度80°C， 靜置2h后得到黃褐色半固體。其余參數(shù)步驟同實(shí)施例1。實(shí)施例廣3中所述工藝，煤矸石為原料加熱加壓下堿提和加熱加壓下酸提較傳統(tǒng) 工藝硅提取率提高5 11. 5%，鋁提取率提高約9 17%，鐵提取率提高4 5%。且避免了加熱回流，節(jié)省了水資源的浪費(fèi)。傳統(tǒng)工藝中活化過程中需60(T85(TC高溫焙燒，保溫壙12h，本發(fā)明中公開的工藝 6000C、00°C加熱焙燒，保溫1小時(shí)即可得矸石基活性原料，使用的能源得到了節(jié)省，符合 節(jié)能減排的環(huán)保要求。本發(fā)明實(shí)施例4 利用粉煤灰制備聚硅鋁鐵絮凝劑，具體步驟如下
(1)配料矸石基原料為粉煤灰15g；
(2)加熱加壓下堿提在步驟2的活化料中加入20%Na0H溶液，與煤矸石細(xì)粉液固重量 比為4 1 ；反應(yīng)時(shí)間2h，溫度120°C，壓力8兆帕，固液分離，收集的濾液即為堿提液；
(3)加熱加壓下酸提活化在步驟3的濾渣中加入15%HC1溶液，液固重量比為21 ；反 應(yīng)時(shí)間2h，溫度120°C，壓力8兆帕，固液分離，收集的濾液即為酸提液，調(diào)整所得酸提液的 體積等同于步驟2所得堿提液；
(4)加熱情況下緩慢濃縮聚合將步驟4所得酸提液逐滴加入到步驟3所得堿提液中， 酸提液與堿提液的體積比為1 :1 ；反應(yīng)溫度80°C，調(diào)整溶液pH為;Γ4，靜置2h后得到黃褐色半固體物質(zhì)。該種工藝，粉煤灰無需活化劑輔助，且省略了高溫焙燒的步驟，節(jié)約原材料成本和 能源。簡化了制備工藝，更適合于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明實(shí)施例5 利用粉煤灰制備聚硅鋁鐵絮凝劑，其中，酸堿兩步反應(yīng)條件是 液固重量比為2 1 ’溫度100°C，壓力5兆帕。濃縮聚合反應(yīng)溫度70°C，靜置2h后得到黃褐 色半固體物質(zhì)。其余同實(shí)施例4。本發(fā)明實(shí)施例6 利用粉煤灰制備聚硅鋁鐵絮凝劑，其中，酸堿兩步反應(yīng)條件是 液固重量比為6 1 ’溫度150°C，壓力10兆帕。濃縮聚合反應(yīng)溫度100°C，靜置2h后得到黃 褐色半固體物質(zhì)。其余同實(shí)施例4。實(shí)施例4飛所述工藝，粉煤灰為原料加熱加壓下堿提和加熱加壓下酸提較傳統(tǒng)工 藝硅提取率提高5. 5 11. 2%，鋁提取率提高約8. 7 16. 2%，鐵提取率提高4. 4 5. 4%。以上實(shí)施例制備工藝所得的聚硅鋁鐵絮凝劑為黃褐色半固體物質(zhì)，其中硅含量為 20% 30%，鋁含量為15% 21%、鐵含量為6% 15%。上述工藝中，將酸提液逐滴加入堿提液中，并將酸堿提取液的混合液進(jìn)行緩慢濃 縮聚合，所得到黃褐色半固體狀聚硅鋁鐵絮凝劑，使其聚合更充分，即增加了其聚合度，提 高了絮凝劑處理效率及處理水平。高COD廢水處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，處理5ml勝利油田鉆井廢水需加入由IOg煤矸石 所得絮凝劑量的1. 25%，經(jīng)過工藝改進(jìn)后需加入同樣量煤矸石所得產(chǎn)品的0. 3%，用藥量降 低約76%。處理勝利油田鉆井廢水所得體系中形成的絮體密實(shí)度遠(yuǎn)高于未優(yōu)化前體系中所 形成絮體的密實(shí)度。經(jīng)過本發(fā)明中公開的工藝制備的聚硅鋁鐵絮凝劑其中硅鋁鐵聚合狀態(tài) 最佳，絮凝能力增強(qiáng)。與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的絮凝劑比較，其不同處在于絮凝劑存在狀態(tài)不同， 硅鋁鐵聚合狀態(tài)亦會(huì)有所改變，因此絮凝劑能力也不相同。廢水加入本發(fā)明中公開的工藝制備的聚硅鋁鐵絮凝劑，形成絮體懸浮于澄清夜上 層，上下倒置容器10次后絮體亦不被破壞，下層液仍澄清。而采用傳統(tǒng)工藝所得聚硅鋁鐵 絮凝劑形成絮體沉降于體系的底部，倒置容器一次，絮體即重新分散，體系變得渾濁。說明 本發(fā)明中公開的工藝制備的聚硅鋁鐵絮凝劑聚合度增高，顯著提高了其處理效率及處理水 平。
權(quán)利要求
一種矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝，其特征在于以矸石基物料為主要原料，制備無機(jī)高分子絮凝劑——聚硅鋁鐵，在合成過程中，采取加熱加壓下堿提、加熱加壓下酸提、加熱情況下緩慢濃縮聚合，其具體工藝步驟如下(1)備料活性矸石基原料；(2)加熱加壓下堿提在步驟1的活性原料中加入15%~30% NaOH溶液，與煤矸石細(xì)粉液固重量比為21到61；反應(yīng)時(shí)間2h，溫度100℃~150℃，壓力為5兆帕~10兆帕，固液分離，收集的濾液即為堿提液；(3)加熱加壓下酸提在步驟2的濾渣中加入10%~20%濃度的無機(jī)酸溶液，液固重量比為21到61；反應(yīng)時(shí)間2h，溫度100℃~150℃，壓力為5兆帕~10兆帕，固液分離，收集的濾液即為酸提液，調(diào)整所得酸提液的體積等同于步驟2所得堿提液；(4)加熱情況下緩慢濃縮聚合將步驟3所得酸提液逐滴加入到步驟2所得堿提液中，所述酸提液與堿提液的體積比為11到21；反應(yīng)溫度70℃~100℃，靜置待得到黃褐色半固體物質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝，其特征在于所述步驟3中 的無機(jī)酸溶液是指鹽酸、硫酸的任意一種或任意比例的混合酸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝，其特征在于所述步驟4中 調(diào)整溶液PH為;T4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝，其特征在于所述步驟1中 的矸石基活性原料為粉煤灰。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝，其特征在于所述步驟1 中的矸石基活性原料制備工藝為煤矸石粉碎磨細(xì)，加入活化劑混合均勻，將上述混合料 600°C、00°C加熱焙燒，保溫1小時(shí)得矸石基活性原料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝，其特征在于所述活化劑為 Na2C03，與煤矸石細(xì)粉重量比例為3 :4。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝，其特征在于所述活化劑為 CaC03，與煤矸石細(xì)粉重量比例為3 :4。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝，其特征在于所述活化劑為 1 1比例混合的CaC03與NaOH，混合物與煤矸石細(xì)粉重量比例為3 :4。
9.權(quán)利要求1的矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝所制備出聚硅鋁鐵絮凝劑，其特征在 于為黃褐色半固體物質(zhì)，其中硅含量為209^30%，鋁含量為159^21%、鐵含量為6% 15%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種矸石基原料制備聚硅鋁鐵的工藝和該工藝制備出的聚硅鋁鐵絮凝劑。其特征在于以矸石基物料為主要原料制備無機(jī)高分子絮凝劑——聚硅鋁鐵，在合成過程中，活性矸石基原料備料、加熱加壓下堿提、加熱加壓下酸提、加熱情況下緩慢濃縮聚合。該工藝所制備出聚硅鋁鐵絮凝劑，其特征在于為黃褐色半固體物質(zhì)，其中硅含量為20%~30%，鋁含量為15%~21%、鐵含量為6%~15%。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明簡化工藝、節(jié)約能源、提取效率高，所得聚硅鋁鐵絮凝劑聚合度好、處理效率及處理水平高、水處理用藥量小于常規(guī)方法制備的聚硅鋁鐵絮凝劑。
文檔編號(hào)C02F1/52GK101830477SQ20101019703
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10日
發(fā)明者丁林, 全先高, 王慧云, 郭繼香 申請(qǐng)人:濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院