1. 研究目的与意义（文献综述）

随着工农业生产的迅速发展和人们生活水平的提高，用水量和废水排放量日益增加。要使有限的水资源满足人们日益增长的生产和生活需要，对排放的生活污水进行有效的净化处理和回收利用日趋迫切。人们已研究出了多种处理生活污水的方法，主要包括物理处理法、化学处理法、物理化学法和生物处理法。物理处理法有沉淀法和吸附法；化学处理法有絮凝法、中和法和氧化法；生物处理法有活性污泥、生物转盘和生物接触氧化法等。其中絮凝法由于成本低、使用方便、效果好，广泛用于废水处理，是最常用的废水处理方法之一^[1]。在水处理中，絮凝剂的选择对处理效果具有直接的影响。然而，传统的小分子无机盐絮凝剂 (如铝盐，铁盐，聚合氯化铝盐，聚合硫酸铁盐)和有机(如聚丙烯酰胺)高分子絮凝剂在分子形态、聚合度以及絮凝效果上都存在弊端^[2-5]。目前絮凝剂的发展呈现出由小分子到高分子、由单一型到复合多功能型的趋势，尤其对聚硅酸金属盐高分子絮凝剂的研究较为集中。^[6-10]

我国是世界上最早使用高岭土的国家，拥有丰富的高岭土地质储量，但其中品位较低的高岭土占有较大的比例，因此利用率较低，部分甚至被堆积废弃。这不仅占用了大量土地，而且严重污染环境^[11]。因此，低品位高岭土的综合利用一直是环保研究领域中最热门的课题之一，如何充分开发利用低品位高岭土，提高其利用的附加值，使之变废为宝，这是当前技术领域要解决的难题^[12]。由于高岭土和聚硅酸铝铁具有相似的元素组成，且聚硅酸铝铁絮凝剂综合了聚硅酸的吸附架桥性能强及铝盐、铁盐的优点，在除浊、脱色和去除重金属离子等方面有很好效果，所以越来越多的科研工作者都投入到了以低品位高岭土等天然材料为原料制备聚硅酸铝铁絮凝剂的科研工作中^[13]。

时文中等^[14]以水玻璃、h₂so₄、a1₂(so₄)₃、fe₂(so₄)₃和naoh为原料制备了聚硅酸铝铁絮凝剂pafs，并研究了其絮凝性能；胡翔等^[15]用水玻璃、硫酸铁和硫酸铝制取pafs，确定了制备pafs混凝剂的优化条件和讨论了其混凝机理；朱开金^[16]等用粉煤灰制备pafs的工艺简单易行，可达到变废为宝、以废治废的目的。刘志强等^[17]选用花岗闪长岩为原料反应制取pafs絮凝剂，通过实验室和生产应用试验，结果表明该絮凝剂成本低，效果好。

本文以低品位高岭土为基本原料，拟采用共聚法合成pafs。即低品位高岭土先经过酸溶使其中的铝和铁尽可能全部溶出，以离子的形式存在在溶液中，然后将酸溶之后的滤渣再经过碱溶使其中的硅尽可能全部溶出，通过调节ph得到硅酸并使其聚合得到聚硅酸，接着将酸溶得到的滤液加入到聚硅酸中使其进一步聚合得到pafs，最后将制得的pafs精制后用于废水处理，来探索其絮凝效果。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：以低品位高岭土为基本原料，拟采用共聚法合成PAFS。即低品位高岭土先经过酸溶使其中的铝和铁尽可能全部溶出，以离子的形式存在在溶液中，然后将酸溶之后的滤渣再经过碱溶使其中的硅尽可能全部溶出，通过调节pH得到硅酸并使其聚合得到聚硅酸，接着将酸溶得到的滤液加入到聚硅酸中使其进一步聚合得到PAFS，最后将制得的PAFS精制后用于废水中来探索其絮凝效果。

目标：获得一种低品位高岭土制备聚硅酸铝铁净水剂的方法，该方法不仅简单有效，而且铝的提取率较高，对生活污水的处理效果显著。

拟采用的技术方案及措施：

（1）高岭土的焙烧预处理（活化）

高岭土原土是惰性材料，晶体中硅、铝原子不易于酸、碱发生化学反应，为了活化高岭土，一般采用加热焙烧的方法来破坏高岭土的晶体结构，提高其中硅、铝原子的化学活性。

查文献得：在600—900℃的温度下焙烧，高岭土中活性铝和活性硅的含量都保持在高水平的稳定值，为了减少能耗，焙烧温度选择700℃，焙烧时间选择1.5h。

（2）活性高岭土的酸浸

活化后的高岭土与盐酸反应使其中的铝和铁溶出。在这个过程中主要的任务是探索出酸浸的反应条件，考虑到的主要因素有盐酸浓度、反应温度、反应时间。

实验的方案：以铝和铁的溶出率为目的函数，设计三因素三水平的正交试验。

（3）酸浸后滤液的除杂

表1 高岭土的XRF测试结果

Analyte	Calibration	Compound	Measured	Used	Concentration	Calculation
	status	formula	(kcps)	(kcps)	(%)	method
Mg	Calibrated	MgO	2.12	2.254	0.219	Calculate
Al	Calibrated	Al2O3	399.599	563.841	33.308	Calculate
Si	Calibrated	SiO2	251.88	355.419	47.136	Calculate
P	Calibrated	P2O5	0.439	0.558	0.028	Calculate
S	Calibrated	SO3	0.195	0.248	0.014	Calculate
K	Calibrated	K2O	1.659	2.07	0.142	Calculate
Ca	Calibrated	CaO	3.732	4.659	0.345	Calculate
Ti	Calibrated	TiO2	19.534	24.383	1.761	Calculate
Cr	Calibrated	Cr2O3	0.455	0.502	0.035	Calculate
Fe	Calibrated	Fe2O3	67.956	75.036	3.294	Calculate
Ni	Calibrated	NiO	0.522	0.61	0.016	Calculate
Sr	Calibrated	SrO	0.345	0.576	0.003	Calculate
Y	Calibrated	Y2O3	0.78	1.303	0.005	Calculate
Zr	Calibrated	ZrO2	0.302	0.377	0.037	Calculate
lt;Cgt;	Not Found	CO2	0	0	13.657	Fixed

从高岭土的XRF分析结果中可以得到：除了硅、铝、铁三种最主要元素外，高岭土中Ti的含量也比较多，所以我想从溶出的滤液中将Ti富集起来，做成附加值高的含钛产品，如钛白粉。

（4）酸浸后所得滤渣的碱浸

活性高岭土经过碱浸之后，过滤得到滤渣，滤渣中的主要成分是硅，故用NaOH溶液浸出滤渣的硅，过滤得到硅酸钠溶液。此过程中的主要任务是浸出条件的确定，考虑到的因素有碱的浓度、反应时间、反应温度。

实验方案：以硅的溶出率为目的函数，设计三因素三水平正交试验。

（5）聚硅酸的合成

碱浸之后得到的是硅酸钠溶液，调节溶液的pH值，在适宜的条件下聚合得到聚硅酸。此过程中pH对反应的影响非常大，在反应温度和反应时间确定的情况下，改变pH值，根据聚合程度的高低选择最佳的pH。

（6）酸浸得到的滤液与聚硅酸的反应

将酸浸除杂后的滤液加入聚硅酸中，进行最后的反应。

3. 研究计划与安排

1-2周：查阅文献，了解聚硅酸铝铁常用制备方法、国内外研究的进展；

3-4周：拟定大致实验流程，撰写开题报告，并完成英文文献翻译；

5-6周：打通试验流程，尽可能解决实验过程中遇到的问题；

6-13周：通过正交试验确定每一个反应过程的最佳实验条件；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] b y gao, y wang, q y yue. the chemical species distribution of aluminum in composite flocculants prepared form poly aluminum chloride (pac) and (pdmdaac)[j]. actahydrochim. hydrobiol, 2012, 33(4): 365-371.

[2] zhang p, hahn h h, hofmann e. influence of some additives to

aluminium species distribution in aluminium coagulants[j]. chemosphere, 2013, 57(10): 1489-1494.

[3] zeng y, park j. characterization and coagulation performance of anovel inorganic polymer coagulant-poly-zinc-silicate-sulfate[j]. colloids and surfaces a: physicochemical and engineering aspects, 2012, 334(1-3): 147-154.