CN101397154B

CN101397154B - 一种利用高炉渣制备的水处理剂及其制备方法

Info

Publication number: CN101397154B
Application number: CN2007101752284A
Authority: CN
Inventors: 叶树峰; 倪建娣; 魏连启; 陈运法
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: CN101397154A

Abstract

本发明涉及一种利用高炉渣制备的水处理剂，其为通过碱性溶液处理高炉渣而得到。所述的高炉渣包括：SiO₂：25-30％，CaO：40-45％，Al₂O₃：15-20％，MgO：10-20％，且(CaO+MgO)/(Al₂O₃+SiO₂)为1.08-1.5。将其和pH＞11的碱性水溶液按照固液比为1∶1-5混和，过滤后在50-120℃干燥24-48h，取出，粉碎，最后过6-80m的标准筛。将本发明的改良的高炉渣用作水处理剂，可以高效、大量地处理污水，尤其是含有Ni(II)、Pb(II)、Cu(II)、Zn(II)、Mn(II)、Fe(III)、Al(III)、Cr(III)等离子的污水。

Description

一种利用高炉渣制备的水处理剂及其制备方法

发明领域

本发明属于废水处理领域，具体地说是涉及一种利用高炉渣制备的水处理剂，及其制备方法。

背景技术

我国是水资源比较缺少的国家，随着地下水的不断开采，造成水位不断下降，更加剧了水资源的短缺。解决水资源短缺，保卫水资源已成为当务之急。而水资源的循环再利用是一项非常有发展前景的事业，它可以缓解水资源的短缺问题。水资源的循环再利用即是将生活污水以及工业污水进行深度净化处理，使之达到一定的水质要求，处理后的出水，可用于灌溉、冲洗、景观工业循环水等多方面用水，可节省大量的自来水。

通常，在污水中，重金属元素是一种主要的污染物，主要来自于机械加工，矿山开采业，钢铁以及有色金属的冶炼和部分化工企业。重金属不能被生物降解为无害物，危害的持续时间很长。目前最常见的是利用各种吸附剂去除，比如活性炭，腐殖酸，以及高炉渣等等。

高炉渣是铁矿精炼的副产物。在高炉中形成的液态炉渣漂浮在熔融的铁上，并且由含有从铁矿中分离的组分的粘土、硅石和石灰，以及石灰石和约1700℃时焦炭中的杂质组成。在约1400-1600℃时用水淬火，在这种急速冷却过程中，形成高度玻璃状颗粒。

在现有技术中，如在文献1：Water Research.2000.34：1957-1961，S.V.DIMITROVA，“INTERACTION OF BLAST-FURNACE SLAG WITH HEAVYMETAL IONS IN WATER SOLUTIONS”中所述，采用了粒状高炉渣和经过退火处理的高炉渣分别吸附铜离子，结果表明在10^-3mol/L的铜离子溶液中高炉渣对其去除率为35.4％，而经过退火处理的高炉渣对铜离子的去除率可以达到99％以上，但是退火处理要消耗较多的能量，需要在600到800℃的情况下保温3个小时。

在文献2：Water Research.2002.36：4001-4008，S.V.DIMITROVA，“Use ofgranular slag columns for lead removal”中进一步公开了采用粒状高炉渣来吸附铅离子，在铅离子含量为20mg/L的情况下，饱和吸附量仅为10.02mg/g，对铅的吸附处理率比较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用高炉渣制备的水处理剂，其为通过碱性溶液处理高炉渣而得到的。该水处理剂可以高效地处理污水，尤其是含有Ni(II)、Pb(II)、Cu(II)、Zn(II)、Mn(II)、Fe(III)、Al(III)、Cr(III)等离子的污水，而且本发明的经处理的高炉渣具有多孔的性质，其含有的物质水解后可形成许多复杂的多核络合物，有利于吸附废水中悬浮的胶体物质；此外，其带有活性硅酸根，有助凝的作用，使其在吸附后能够迅速沉降。因此，本发明的高炉渣用于水处理时不仅具有较好的污水净化效果，而且对重金属的吸附量大，成本低廉，易于控制剂量。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：

本发明提供一种利用高炉渣制备的水处理剂，其为通过碱性溶液处理高炉渣而得到。

优选的，按重量计，所述的高炉渣包括：

SiO₂：25-30％

CaO：40-45％

Al₂O₃：15-20％

MgO：10-20％

且(CaO+MgO)/(Al₂O₃+SiO₂)为1.08-1.5。

在该技术方案中，所述的碱性溶液是由选自KOH、NaOH、NaO·3SiO₂、Ca(OH)₂、CaSO₄和Na₂CO₃中的一种或者两种，配制成pH＞11的水溶液。

在该技术方案中，所述的高炉渣和碱性溶液的固液比为1∶1-5(重量比)。

在该技术方案中，所述的通过碱性溶液处理高炉渣是将高炉渣在碱性溶液中浸泡1-10h，过滤后在50-120℃干燥24-48h，取出，粉碎，过6-80m的标准筛。

本发明提供一种利用高炉渣制备的水处理剂的制备方法，包括如下的步骤：

第一步，将高炉渣在碱性溶液中混和均匀，然后浸泡1-10h，

按重量计，所述的高炉渣包括：SiO₂：25-30％，CaO：40-45％，Al₂O₃：15-20％，MgO：10-20％，且(CaO+MgO)/(Al₂O₃+SiO₂)为1.08-1.5；

所述的碱性溶液是由选自KOH、NaOH、NaO·3SiO₂、Ca(OH)₂、CaSO₄和Na₂CO₃中的一种或者两种，配制成pH＞11的水溶液；

所述的高炉渣和碱性溶液的固液比为1∶1-5(重量比)；

第二步，将第一步得到的混合液过滤；

第三步，将滤渣在50-120℃干燥24-48h，取出；

第四步，粉碎得到的滤渣，过6-80m的标准筛，即得到所需的水处理剂。

本发明提供的利用高炉渣制备的水处理剂是用碱性溶液处理高炉渣而得到的。其基本构思和原理是：高炉渣在1400-1600℃的情况下在水的急冷作用下，迅速冷却，内部熔融物来不及结晶而形成无定形物质。进而在本发明的碱性环境下，该结构被破坏，氢氧根离子不断攻击玻璃相，使其中的硅铝以硅氧四面体或者铝氧四面体的形式溶入溶液中。随着溶液中的硅氧四面体和铝氧四面体的浓度地增加，其又从溶液中重结晶出来，形成具有部分晶相和部分无定形相的混合物。这使其中的钙离子等从玻璃相中释放出来。高炉渣未改性之前有一定的吸附性能，其中钙离子作为交换离子，吸附溶液中的有害离子，经本发明的方法改性后使更多的钙离子能够参与离子交换。在本发明的改性过程中不仅是钙离子得到了释放，而且其中的玻璃相中的硅元素，铝元素也得到了释放，形成-Si-O-，或者-Al-O-等阴离子集团，这对吸附重金属阳离子是非常有利的。

将本发明得到的改良的高炉渣用作水处理剂，可以高效、大量地处理污水，尤其是含有Ni(II)、Pb(II)、Cu(II)、Zn(II)、Mn(II)、Fe(III)、Al(III)、Cr(III)等离子的污水。本发明的吸附剂是一种能够吸附水中重金属离子的廉价的吸附剂。同时，本发明也解决了冶金废弃物高炉渣的再利用。它不仅具有较好的污水净化效果，而且对重金属的吸附量大，成本低廉，易于控制剂量。由于重金属不易降解，对环境还存在潜在的危害，而高炉渣经过吸附后，与其他胶凝材料一起固化，能够固定重金属离子，使重金属不从其中溶出，减少二次污染。

具体实施方式

实施例1、制备本发明的水处理剂I

将200g高炉渣(SiO₂：25％；CaO：45％；Al₂O₃：20％；MgO：10％)在400g的碱性溶液(KOH水溶液，pH＝14)中按照混和均匀，然后浸泡2h，过滤，再用蒸馏水冲洗，过滤，重复2次，将滤渣在80℃干燥48h，取出；粉碎得到的滤渣，过80m，不过300m的标准筛，得到所需的水处理剂I。

实施例2、制备本发明的水处理剂II

将200g高炉渣(SiO₂：25％；CaO：40％；Al₂O₃：15％；MgO：20％)在200g的碱性溶液(NaO·3SiO₂和KOH的混合水溶液，pH＝14)中按照混和均匀，然后浸泡2h，过滤，再用蒸馏水冲洗，过滤，重复2次，将滤渣在60℃干燥36h，取出；粉碎得到的滤渣，过30m，不过80m的标准筛，得到所需的水处理剂II。

实施例3、制备本发明的水处理剂III

将200g高炉渣(SiO₂：30％；CaO：42％；Al₂O₃：17％；MgO：11％)在1000g的碱性溶液(Ca(OH)₂水溶液，pH＝12.55)中按照混和均匀，然后浸泡5h，过滤，再用蒸馏水冲洗，过滤，重复2次，将滤渣在120℃干燥24h，取出；粉碎得到的滤渣，过40m的标准筛，得到所需的水处理剂III。

实施例4制备本发明的水处理及IV

将100g高炉渣(SiO₂：29％；CaO：41％；Al₂O₃：19％；MgO：11％)在100g的碱性溶液(NaOH水溶液，pH＝13.5)中按照混和均匀，然后浸泡5h，过滤，再用蒸馏水冲洗，过滤，重复2次，将滤渣在60℃干燥24h，取出；粉碎得到的滤渣，过6m的标准筛，得到所需的水处理剂IV。

实施例5、采用实施例1中得到的水处理剂I吸附溶液中的镍离子

将实施例1中得到的水处理剂I和原始浓度为2000mg/L的镍溶液按1g/100ml的比例混合后，在不同时间测溶液中的浓度，然后计算吸附量，结果列于表1。

表1、本发明处理过的高炉渣处理含镍离子溶液的效果

时间(h)	0.5	1.5	2.5	3.5	4.5	5.5	7.5	9.5	11.5	13.5	24.5
												浓度(mg/L)	1093	900	800	505	303	165	69	57	49	11	5
吸附量(mg/g)	91	110	120	150	170	183	193	194	195	199	199

如表1所示，水处理剂I对于高浓度的镍离子溶液有良好的吸附能力，经过半个小时的接触以后，溶液中的浓度降低了一半，在经过了一天以后浓度降低到不到10mg/g，而吸附量达到了199mg/g。

实施例6、采用实施例3中得到的水处理剂III吸附溶液中的重金属离子

将实施例3中得到的水处理剂III和如表2所示的含有重金属的污水按1g/100ml的比例混合后，经过0.5，1，1.5，2小时后测溶液中离子的浓度，结果列于表2。

表2、本发明处理过的高炉渣处理含重金属离子溶液的效果

如表2所示，吸附剂III在较低浓度，50mg/g的浓度下对铜、锌、锰以及铁离子都有较好的吸附性，在0.5小时后浓度迅速降低到10mg/g以下，而在2小时以后东躲降低到1mg/g以下，符合国家生活饮用水标准(GB5749-2006)。

实施例7、采用实施例4中得到的水处理剂IV吸附溶液中的铅金属离子

将实施例4中得到的水处理剂IV和不同浓度的铅(II)离子溶液，按1g高炉渣/100ml重金属溶液的比例混合后，经过8小时后测溶液中离子的浓度，结果列于表3。

表3、本发明处理过的高炉渣处理含铅离子溶液的效果

原始离子浓度(mg/L)	10	20	50	100
					处理后浓度(mg/L)	0.054	0.046	0.004	1.36
吸附量(mg/g)	0.9946	1.9954	4.9996	9.864

如表3所示，可以看出，水处理及IV对浓度在100mg/L以下的浓度的铅离子溶液有较好的吸附能力，在浓度低于50mg/L的情况下，处理以后的水中铅离子的浓度达到低于0.1mg/L。

实施例8、采用实施例2中得到的水处理剂II吸附溶液中的重金属离子

配制含离子浓度高的各种金属离子的混合溶液，加入实施例2中得到的水处理剂II，按1g/100ml的比例混合后测溶液中离子的浓度，结果列于表4。

表4、本发明处理过的高炉渣处理含有多种重金属离子混合溶液的效果

如表4所示，在2000mg/L的初始浓度下，水处理剂对溶液中的Cu(II)、Zn(II)、Ni(II)、Fe(III)、Mn(II)、Al(III)、Cr(III)都具有较好的吸附性能，随着时间的延长，吸附量增大，其对铁离子、铝离子、锰离子和铬离子吸附效果最好。其对各种离子的总的吸附量达到564mg/g。

Claims

1.一种利用高炉渣制备的水处理剂，其为通过碱性溶液处理高炉渣而得到的，该处理方法包括如下的步骤：

第一步，将高炉渣在碱性溶液中混和均匀，然后浸泡1-10h；

第二步，将第一步得到的混合液过滤；

第三步，将滤渣在80-120℃干燥24-48h，取出；

第四步，粉碎得到的滤渣，过6-80m的标准筛，得到所需的水处理剂；其中，所述的高炉渣，按重量计，包括：

SiO₂：25-30％

CaO：40-45％

Al₂O₃：15-20％

MgO：10-20％

且(CaO+MgO)/(Al₂O₃+SiO₂)为1.08-1.5。

2.如权利要求1所述的利用高炉渣制备的水处理剂，其特征在于：所述的碱性溶液是由选自KOH、NaOH、Ca(OH)₂、CaSO₄和Na₂CO₃中的一种或者两种，配制成pH＞11的水溶液。

3.如权利要求1或2所述的利用高炉渣制备的水处理剂，其特征在于：所述的高炉渣和碱性溶液的固液比为1∶1-5。