含钙聚合氯化铝铁水解产物的应用矿物学研究

论文摘要

以铝酸钙粉为主要原料生产的含钙聚合铝（Calcium-containing poly aluminum chloride PACCa），和以铝酸钙粉、硫铁矿烧渣为主要原料生产的含钙聚合铝铁（Calcium-containing poly-ferric aluminum chloride PAFCCa），被称为具有中国特色的絮凝剂。90年代后它们迅速成为统治中国净水剂市场的产品。但是，对这类絮凝剂的认识仍停留在以Al13为基础的聚合铝结构基础上，难以指导产品向高级阶段的发展和对其絮凝机理进行深入的研究。 絮凝的核心问题涉及颗粒物的界面反应机理。本文从应用矿物学角度，以矿物谱学分析手段来表征PACCa、PAFCCa中具有主要絮凝作用但尚未被认识和表征的颗粒物的形态与结构，为解决环境水化学对表面络合反应模式所必须面对的结构及电荷问题，为更好地利用工业废弃物这类非传统矿产资源，从而为水处理工艺中去除和利用颗粒物的高新技术的发展找到了一个多学科相结合的切入点。 分别以NaOH、Ca（OH）2为碱化剂合成了用于比较的聚合氯化铝（PACNa）、（PACCa）聚合氯化铁（PFCNa）、（PFCCa）4个样品和不同n（Al）／n（Fe）、不同碱化度B的45个聚合氯化铝铁（PAFCNa）及45个（PAFCCa）样品。并以铝酸钙粉、硫铁矿烧渣为主要原料生产了PAFCCa产品。测定和比较了PAFCNa和PAFCCa溶液中胶体颗粒物的差异。应用矿物谱学方法、热分析以及电镜—能谱—电子衍射等手段，对上述全部样品的低温干燥样进行了表征。结果表明：PACCa和PAFCCa溶液中都存在Ca3Al2（OH）n结构单元，PAFCCa中还存在被称之为结构生长单元的Fe3O2（OH）2Cl Fe（Ⅲ）羟合配离子。以这些结构单元为核心生成的纳米胶体颗粒控制了PACCa和PAFCCa溶液的稳定性、沉淀物的生成途径和性质。 本论文指认了2150cm-1峰为钙矾石组矿物的红外光谱特征吸收峰。并由此认定含钙聚合氯化铝铁的2156cm-1吸收峰为分别与Al（OH）6八面体和Ca（OH，OH2）8八配位离子团相键合、由氢键特殊定向的结构水的OH所产生的红外吸收。XRD衍射肯定了PACCa、PAFCCa中Ca3Al2（OH）12相的存在，TG-DTG热分析结果支持PAFCCa中有类钙矾石结构，电镜观察发现PAFCCa中有类钙矾石管状体的存在。PAFCCa中的Ca（Ⅱ）参与了A1（Ⅲ）、Fe（Ⅲ）羟合配离子的交叉共聚，将Fe3O2（OH）2Cl和Ca3Al2（OH）12这两个结构生长单元相连。本论文因此提出，（n（Al）／n（Fe））≥6:4前后PAFCCa中占主导地位的结构相如下： （n（Al）／n（Fe））＜6:4 Ca3Al2（OH）12·mFe3O2（OH）2Cl·nH2O （2／3≤m≤6，n≤26） （n（Al）／n（Fe））≥6:4 {[Ca3（Al,Fe）（OH）6]2Cl6-x·nH2O}（6-x）+（x≤6，n≤26）

论文目录

• 摘要
• ABESTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 矿物学研究现状及发展趋势
• 1.2 选题依据及意义
• 1.3 国内外研究动态
• 1.3.1 Al（Ⅲ）的水解及其沉淀产物的矿物学研究
• 1.3.2 Fe（Ⅲ）的水解及其沉淀产物的矿物学研究
• 1.3.3 Al（Ⅲ）、Fe（Ⅲ）的混合水解及其沉淀产物的矿物学研究
• 1.3.4 Ca（Ⅱ）-Al（Ⅲ）-Fe（Ⅲ）混合体系水溶液及其固体溶液的矿物学研究
• 1.4 论文的思路
• 1.5 研究取得的进展与突破
• 1.6 研究工作设想
• 第2章 样品的合成制备、溶液性质比较
• 2.1 主要试剂及设备
• 2.2 实验室样品的制备与方法
• 2.3 PAFCCa的生产工艺流程
• 2.4 PAFCCa的低温干燥
• 2.5 溶液pH弛豫与电导随时间的变化
• 2.6.胶体颗粒的凝聚行为研究
• 2.6.1 可见光谱蓝移与Fe（Ⅲ）胶体颗粒物之间的关系
• 2.6.2 PAFCNa、PAFCCa的稳定性观察
• 2.6.3 PAFCNa和PAFCCa的絮凝效果比较
• 第3章 含钙聚合氯化铝铁（PAFCCa）的矿物学研究
• 3.1 XRD粉晶衍射
• 3.1.1 结果与讨论
• 3.2 FTIR光谱分析
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.3 低温干燥样的热分析
• 3.3.1 TG-DTG、DTA分析
• 3.4 PAFCNa与PAFCCa的型貌像观察
• 3.4.1 SEM扫描电镜的型貌像观察
• 3.4.2 TEM透射电镜观察、电子衍射及EDS点能谱分析
• 3.5 含钙铝铁水解聚合产物的矿物学研究：陈化对其形态的影响
• 3.5.1 含钙铝铁水解聚合产物的制备
• 3.5.2 实验及条件
• 3.5.3 检测结果
• 3.5.4.讨论
• 3.5.5 陈化—溶解—再结晶机理
• 第4章 PAFCCa的水处理应用
• 4.1 PAFCCa处理高浊度洗煤废水及矿坑废水的研究
• 4.1.1 仪器：
• 4.1.2 实验方法
• 4.1.3 各种参数变化对絮凝的影响
• 4.1.4 脱锰机理的再认识
• 4.1.5 参数选择
• 4.1.6 PAFCCa处理造纸黑液
• 4.2 絮凝机理的讨论
• 4.2.1 絮凝沉降的一般机理
• 4.2.2 PAFCCa的絮凝机理
• 第5章 讨论及结论
• 5.1 讨论
• 5.1.1.研究方法选择
• 5.1.2 PAFCNa和PAFCCa溶液中胶体颗粒物的差异
• -1峰为钙矾石中的红外光谱特征峰'>5.1.3 2150cm^-1峰为钙矾石中的红外光谱特征峰
• 3Al₂（OH）₁₂'>5.1.4 PACCa、PAFCCa中的类钙矾石结构柱体相Ca₃Al₂（OH）₁₂
• 5.1.5.PAFCCa的热重分析特征
• 5.1.6 PAFCCa结构相推断
• 5.2 陈化对PAFCCa形态的影响
• 5.3 PACCa、PAFCCa碱化度的修正
• 5.4 PAFCCa的表面络合模式
• 5.5 PAFCCa的絮凝机理
• 5.6 结论
• 5.7 下一步工作打算
• 致谢
• 参考文献
• 图版说明
• 图版
• 专利证书