CN101973599A - 一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法 - Google Patents

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胡斌
佘健
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Abstract

本发明涉及一种吸附水中的磷污染物的方法。一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法，其特征在于它包括如下步骤：1)将钢渣破碎至5～10目，用蒸馏水洗净、烘干，备用；铁尾矿磨细至200目，备用；然后按各原料所占质量百分数为：钢渣45％～55％、铁尾矿35％～45％、粘结剂5％～15％，混合，得到复合材料，备用；2)将复合材料平铺于容器中放入高温电阻炉焙烧，以4～8℃/min升温至100℃，保温60min；再以10～12℃/min升温至700～800℃，保温1h～1.5h，自然冷却至室温，得到吸附材料；3)将吸附材料按1g～1.5g/100mL比例加入到磷含量为30mg/L以下的废水中，调节废水的pH值为7～9，充分混合反应后废水中磷去除率达到98％以上。更好的利用钢铁工业废渣实现以废治废，磷去除率高。

Description

一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法
技术领域
本发明涉及一种钢铁工业废渣综合利用的方法，具体的说是用钢铁工业废渣合成的复合材料吸附水中的磷污染物的方法。
背景技术
钢渣(即钢铁工业废渣)是炼钢过程的副产品之一，其产率约为粗钢量的10％～20％左右。据统计，目前我国每年约产钢渣5500万吨。大部分钢渣选铁后堆置而未被利用，铁尾矿也是钢铁工业固体废弃无的主要组成部分，这两者不仅占用大量堆弃用地或良田，还严重影响生态环境。
随我国钢产量的迅速增长，钢铁工业中的废弃物处理及其再利用越来越受到重视。截至目前，人们己经相继开发了多种转炉钢渣和尾矿资源化再利用的途径，主要包括回收有价成分、在道路工程、环境工程、装饰工程中的应用以及在化学领域、农业领域、建筑领域和冶金领域中的再利用。
在含磷废水处理技术中，人们采用了各种工艺来除磷，主要包括生物法、化学沉淀法、吸附法、离子交换法等以及这些方法的综合运用。其中吸附法由于操作简易，吸附速度快，经济，并且吸附产物可以回收利用，不会对环境产生二次污染，而寻求一种吸附容量方面性能优异的高效吸附剂。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法，更好的利用钢铁工业废渣实现以废治废，磷去除率高。
为解决本发明提出的技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)将钢渣破碎至5～10目，用蒸馏水洗净、烘干，备用；铁尾矿磨细至200目，备用；
然后按各原料所占质量百分数为：钢渣45％～55％、铁尾矿35％～45％、粘结剂5％～15％，选取钢渣、铁尾矿和粘结剂，混合，得到复合材料，备用；
2)将复合材料平铺于容器中放入高温电阻炉焙烧，以4～8℃/min(缓慢)升温至100℃，保温60min；再以10～12℃/min升温至700～800℃，保温1h～1.5h，自然冷却至室温，得到吸附材料；
3)将吸附材料按1g～1.5g/100mL比例加入到磷含量为30mg/L以下的废水中，调节废水的pH值为7～9，充分混合反应，得到除磷后的水。
所述的粘结剂为水泥、水玻璃或粘土。
所述充分混合反应的时间为20min以上。
所述充分混合反应的温度为25～50℃。
本发明的原理：钢渣具有一定的碱性和较大的比表面积理，经测试，钢渣粉末密度为1600～2200kg/m3，比表面积0.32m2/g，平均孔径5.3nm；具有良好的过滤性能，可以有效吸附水中的磷。铁尾矿中主要为硅酸盐矿物，表面带有一定电荷，具有较大的比表面积。钢渣和铁尾矿中的金属化合物在处理废水时溶解产生铝、钙、铁、镁等金属离子，可以与水中的磷酸根离子结合形成沉淀，从而达到除磷的效果，即吸附与沉淀共同作用，使含磷废水的浓度大大降低。
本发明的有益效果：依照本发明复合材料不需要经过传统的技术改造或加工，简单的破碎后通过高温焙烧，即对于废水中的磷污染物有良好的吸附作用。本发明利用钢铁工业废渣实现以废治废，磷去除率高(废水中磷去除率达到98％以上)。本发明为钢铁工业废渣的综合利用开辟新的途径，变废为宝，充分利用了钢渣和铁尾矿的潜在价值，符合以废治废的原则，具有广泛的实用意义。
附图说明
图1是实施例1的焙烧温度对吸附材料去除水中磷酸盐的效果图。
图2是实施例1的吸附材料投加量与废水中磷酸盐去除率的关系图。
图3是实施例1的振荡时间与吸附材料除磷率的关系图。
图4是实施例1的进水pH与吸附材料除磷率的关系图。
图5是实施例1的进水磷浓度与吸附材料除磷率的关系图。
图6是实施例1的反应温度与吸附材料除磷率的关系图。
图7是不同温度再生的吸附材料去除废水中磷酸盐的效果图。
图8是不同时间再生的吸附材料去除废水中磷酸盐的效果图。
具体实施方式
实施例1：
一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法，它包括如下步骤：
1)将钢渣破碎至5～10目，用蒸馏水洗净、烘干，备用；铁尾矿磨细至200目，备用；
然后按各原料所占质量百分数为：钢渣50％、铁尾矿40％、粘结剂10％，选取钢渣、铁尾矿和粘结剂，混合，得到复合材料，备用；所述的粘结剂为水玻璃，水玻璃模数是1.5～3.5；
2)将复合材料平铺于容器(如大灰皿)中放入高温电阻炉焙烧，以6℃/min(缓慢)升温至100℃，保温60min，让复合材料(生料)中的物理水分蒸发；再以11℃/min升温至750℃，保温1.2h，自然冷却至室温，得到吸附材料；
3)取配置好的含磷浓度为30mg/L模拟废水100mL，将吸附材料与模拟废水混合(本实施例中按100mL模拟废水中投入1.2g吸附材料)，装入锥形瓶中，调节废水的pH值为8，在恒温振荡器中震荡一定时间(反应温度为25℃，本实施例中充分混合反应的时间为20min)，充分吸附后，过滤并测定滤液中的总磷的量，与初始浓度对比，即可确定复合材料吸附后对废水中磷的去除率、吸附量等；本实施例中废水中磷去除率达到98％以上。
各影响因素的试验方法如下：
(1)吸附材料投加量：固定进水初始废水浓度，反应温度，恒温振荡器转速，pH值，搅拌时间，改变吸附材料的投加量，测定其对吸附的影响；
(2)振荡时间：固定进水初始废水浓度，吸附材料投加量，反应温度，恒温振荡器转速，pH值，改变反应的振荡时间，测定其对吸附的影响；
(3)进水pH值：固定进水初始废水浓度，吸附材料投加量，反应温度，恒温振荡器转速，改变反应的进水pH值，测定其对吸附的影响；
(4)进水初始磷浓度：固定吸附材料投加量，反应温度，恒温振荡器转速，改变反应的进水初始磷浓度，测定其对吸附的影响；
(5)反应温度：固定初始废水浓度，吸附材料投加量，恒温振荡器转速，改变反应的温度，测定其对吸附的影响；
1、吸附材料和含磷废水的配置，
吸附材料在实验前按制备的步骤烧制好。用KH2PO4配置含磷(以P计)100mg/L的标准溶液待用(VCB模拟废水)。
2、吸附材料的焙烧温度对含磷废水的吸附，
(1)将复合材料平铺于大灰皿中放入高温电阻炉，在不同温度下加热1小时，自然冷却至室温后，得到吸附材料，用标准溶液配置含磷30mg/L的模拟废水，取1g吸附材料装入250mL锥形瓶内，加入100mL浓度为30mg/L的模拟含磷废水，放置在摇床上，以150r/min的转速振荡3h。过滤，取滤液测定滤液中的总磷的量，测定焙烧温度对磷酸盐的去除效果见图1，由图1可以看出，吸附材料对于磷酸盐的去除率随着焙烧温度的升高而增加，当焙烧温度为700℃时，效果较好，磷酸盐去除率可以达到95.71％，当焙烧温度为800℃、900℃、1000℃时，去除率没有明显变化。通过实验发现焙烧的时间对吸附材料的吸附性能几乎没有影响。
(2)吸附材料不同投加量对去除率的影响
各取0.5g、1g、1.5g、2g、2.5g、3g、3.5g吸附材料装入250mL锥形瓶内，加入100mL浓度为30mg/L的模拟含磷废水，放置在摇床上，以150r/min的转速振荡3h后取样，过滤并测定滤液中的总磷的量。随着吸附材料投加量的增加，废水中残留磷浓度不断降级，但废水中磷的去除率并不与吸附材料的投加量成正比。综合考虑磷的去除率和吸附量两者之间的变化关系，可确定当投加量为1g即固液比为10g/L时，磷的去除率可达94％以上。图2为吸附材料投加量与废水中磷酸盐去除率的关系。
(3)振荡时间对吸附材料除磷效果的影响
分别取100mL浓度为30mg/L的模拟含磷废水于7个250mL锥形瓶内，再各取1g吸附材料于锥形瓶中混合均匀，放置在摇床上，以150r/min的转速振荡，振荡不同时段后取样并过滤，取适量的滤液测定滤液中的总磷的量。图3为振荡时间与复合材料除磷率的关系，由图3可以看出，随着振荡时间的增加，除磷率不断增大，只需振荡20min，除磷率便超过了99.7％，但是随后除磷率有所下降，直到60min后才超过20min时的除磷率，分析原因主要是因为吸附材料本身所含的磷在长时间的振荡中慢慢释放出来，直到60min后才全部释放完毕，可以认为吸附材料最佳吸附时间为20min。
(4)进水pH对吸附材料除磷效果的影响
通过酸碱调节，使磷酸溶液呈不同的pH值，称取吸附材料(每份1g)5份，分别放入5只锥形瓶；量取100mL不同pH的磷酸溶液(pH现场测定，磷酸溶液浓度为30mg/L)，加入5只锥形瓶中，混匀，振荡20min后取样，取适量的滤液测定滤液中的总磷的量。
图4是进水pH与吸附材料除磷率的关系，由图4可以看出，pH值为3的酸性条件下，P原始浓度从30mg/L降到1.86mg/L，去除率为73.37％；在pH值为5的酸性性条件下，P原始浓度从30mg/L降到1.23mg/L，去除率为82.33％。在20min之内，pH值为7左右时，可使P原始浓度从30mg/L降到0.11mg/L(低于国家一级排放标准)，去除率达到98.34％以上；当pH值为9的弱碱性性条件下，去除率达到98.73％，由此可知，在中性稍偏碱性的条件下，吸附材料的去除效果可在最短的时间内达到最佳。碱性条件下的去磷效果要优于酸性条件。
(5)进水初始磷浓度对吸附材料除磷效果的影响
用电子天平分别称取4份重量为1g吸附材料，各放入250mL锥形瓶中，分别加入100mL含磷浓度为10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L的模拟含磷废水，振荡20min后取样。
在初始浓度为10～30mg/L的含磷废水中，吸附材料吸附能力没有明显的变化，当浓度大于30mg/l时，吸附材料吸附能力有所下降，吸附能力下降的主要原因是因为吸附材料吸附量达到了饱和，无法提供吸附位。因此可以认为1g吸附材料的最大吸附能力100mL浓度为30mg/l的含磷废水。见图5，图5为进水磷浓度与复合材料除磷率的关系。
(6)反应温度对吸附材料除磷效果的影响
用电子天平分别称取5份重量为1g复合材料，各放入250mL锥形瓶中，分别加入100mL含磷浓度为30mg/L模拟含磷废水，在温度为5℃、15℃、25℃、35℃、45℃的条件振荡20min后取样，过滤并测定滤液中的总磷的量。
温度对吸附材料去除水中磷酸盐的效果没有明显的影响，仅当温度低于25℃时，吸附材料的除磷效果有所降低，当温度高于25℃，吸附材料对磷的去除率都非常接近，见图6。
使用后的吸附材料的再生利用：
(1)高温再生的温度
使用后的吸附材料采用高温活化再生时，当活化温度低于700℃时废水中磷酸盐的去除率低，活化温度为800℃时，再生吸附材料对于废水中磷酸盐去除率可以达到98％，当活化温度大于800℃时，去除率没有明显变化，因此高温活化吸附材料再生的最佳温度为800℃，如图7所示。
(2)高温再生时间
设置再生温度为800℃，每隔10min取样一次，自然冷却至室温，测定再生时间对于去除率的影响规律，如图8所示。由图8可以看出，当再生时间达到30min后，再生复合材料对于废水中磷酸盐平均去除率可以达到97％以上，从经济和技术因素考虑，取30min为使用后的吸附材料最佳再生时间。
实施例2：
一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法，它包括如下步骤：
1)将钢渣破碎至5～10目，用蒸馏水洗净、烘干，备用；铁尾矿磨细至200目，备用；
然后按各原料所占质量百分数为：钢渣45％、铁尾矿45％、粘结剂10％，选取钢渣、铁尾矿和粘结剂，混合，得到复合材料，备用；所述的粘结剂为水泥；
2)将复合材料平铺于容器(如大灰皿)中放入高温电阻炉焙烧，以4℃/min(缓慢)升温至100℃，保温60min，让复合材料(生料)中的物理水分蒸发；再以12℃/min升温至700℃，保温1h，自然冷却至室温，得到吸附材料；
3)将吸附材料按1g～1.5g/100mL比例加入到磷含量为30mg/L的废水中，调节废水的pH值为7，充分混合反应(时间为20min，温度为25℃)后废水中磷去除率达到98％以上。
实施例3：
一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法，它包括如下步骤：
1)将钢渣破碎至5～10目，用蒸馏水洗净、烘干，备用；铁尾矿磨细至200目，备用；
然后按各原料所占质量百分数为：钢渣55％、铁尾矿35％、粘结剂10％，选取钢渣、铁尾矿和粘结剂，混合，得到复合材料，备用；所述的粘结剂为水玻璃，水玻璃模数是1.5～3.5；
2)将复合材料平铺于容器(如大灰皿)中放入高温电阻炉焙烧，以8℃/min(缓慢)升温至100℃，保温60min，让复合材料(生料)中的物理水分蒸发；再以10℃/min升温至750℃，保温1.5h，自然冷却至室温，得到吸附材料；
3)将吸附材料按1.1g/100mL比例加入到磷含量为20mg/L的废水中，调节废水的pH值为8，充分混合反应(时间为25min，温度为30℃)后废水中磷去除率达到98％以上。
实施例4：
一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法，它包括如下步骤：
1)将钢渣破碎至5～10目，用蒸馏水洗净、烘干，备用；铁尾矿磨细至200目，备用；
然后按各原料所占质量百分数为：钢渣50％、铁尾矿45％、粘结剂5％，选取钢渣、铁尾矿和粘结剂，混合，得到复合材料，备用；所述的粘结剂为粘土；
2)将复合材料平铺于容器(如大灰皿)中放入高温电阻炉焙烧，以6℃/min(缓慢)升温至100℃，保温60min，让复合材料(生料)中的物理水分蒸发；再以12℃/min升温至800℃，保温1.5h，自然冷却至室温，得到吸附材料；
3)将吸附材料按1.1g/100mL比例加入到磷含量为10mg/L的废水中，调节废水的pH值为9，充分混合反应(时间为30min，温度为40℃)后废水中磷去除率达到98％以上。
实施例5：
一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法，它包括如下步骤：
1)将钢渣破碎至5～10目，用蒸馏水洗净、烘干，备用；铁尾矿磨细至200目，备用；
然后按各原料所占质量百分数为：钢渣50％、铁尾矿35％、粘结剂15％，选取钢渣、铁尾矿和粘结剂，混合，得到复合材料，备用；所述的粘结剂为水泥；
2)将复合材料平铺于容器(如大灰皿)中放入高温电阻炉焙烧，以6℃/min(缓慢)升温至100℃，保温60min，让复合材料(生料)中的物理水分蒸发；再以10℃/min升温至700℃，保温1h，自然冷却至室温，得到吸附材料；
3)将吸附材料按1.5g/100mL比例加入到磷含量为30mg/L的废水中，调节废水的pH值为7，充分混合反应(时间为40min，温度为50℃)后废水中磷去除率达到98％以上。
本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims (4)

1.一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)将钢渣破碎至5～10目，用蒸馏水洗净、烘干，备用；铁尾矿磨细至200目，备用；
然后按各原料所占质量百分数为：钢渣45％～55％、铁尾矿35％～45％、粘结剂5％～15％，选取钢渣、铁尾矿和粘结剂，混合，得到复合材料，备用；
2)将复合材料平铺于容器中放入高温电阻炉焙烧，以4～8℃/min升温至100℃，保温60min；再以10～12℃/min升温至700～800℃，保温1h～1.5h，自然冷却至室温，得到吸附材料；
3)将吸附材料按1g～1.5g/100mL比例加入到磷含量为30mg/L以下的废水中，调节废水的pH值为7～9，充分混合反应。
2.根据权利要求1所述的一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法，其特征在于：所述的粘结剂为水泥、水玻璃或粘土。
3.根据权利要求1所述的一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法，其特征在于：所述充分混合反应的时间为20min以上。
4.根据权利要求1所述的一种利用钢铁工业废渣吸附水中磷污染物的方法，其特征在于：所述充分混合反应的温度为25～50℃。
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