CN102115225A - 一种泥浆型铁基赤泥除砷剂的制备与应用方法 - Google Patents

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李亦然
王军
贾智萍
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Abstract

本发明涉及一种泥浆型铁基赤泥除砷药剂的制备与应用方法。将烧结法或拜耳法赤泥粉碎，与一定浓度的亚铁溶液进行人工或机械掺混，制得本发明所涉及的泥浆型铁基赤泥砷去除药剂。使用时可利用泥浆泵或人工进行喷洒，利用水流或机械力与水混合，其后静沉，即可去除水中砷污染。该药剂的亚铁含量约为5-10％，赤泥含量约为40-50％，水含量约为50-55％。此药剂结合砷吸附与铁砷共沉淀作用，具有优良的沉降性能，吸附态砷形态稳定，不造成二次污染。本发明利用铝冶炼行业工业废料和廉价亚铁盐，大幅降低了水处理成本，尤其在处理工矿等高砷废水和修复大面积水体砷污染时具有突出的经济和社会效益。

Description

一种泥浆型铁基赤泥除砷剂的制备与应用方法
技术领域
本发明属于水处理、资源再利用领域，特别涉及水体砷污染的廉价高效快速处置材料及其应用工艺，可应用于发生砷污染事故时水体的应急处置，也可应用于水厂混凝工艺进行常规砷去除。
背景技术
砷是一种广泛分布于大气、水、土壤、岩石和生物体中具有类金属特性的元素。砷化物从被发现以来就以其毒性而闻名。人体接触高浓度砷会发生急性砷中毒，长时间接触砷会导致慢性中毒。砷中毒可严重危及人体的呼吸、消化、心血管、神经、泌尿、造血等多个系统，甚至威胁人类生命。近几年，我国连续发生水环境砷污染和砷中毒事件，如2004年辽宁省阜新市发生砷污水泄漏事故，2007年贵州都柳江砷污染事件，2008年广西河池砷中毒事件，2008年湖南辰溪砷中毒事件，2008年云南阳宗海湖砷泄漏重大污染事件等。一系列的砷污染，砷中毒事故直接威胁当地饮水安全，给生产生活带来严重影响。
目前国内外的砷去除方法主要有：吸附，离子交换，絮凝(共沉淀)，纳滤，膜蒸馏，光催化氧化，反渗透和生物法等。吸附法和絮凝(共沉淀)法是简单易行的废水处理技术，适用面广，使用工艺多样，能处理复杂水环境的砷污染。吸附法是以具有高比表面积、不溶性的固体材料作吸附剂，通过物理吸附作用、化学吸附作用或离子交换作用等机制将水中的砷污染物固定在自身的表面上，絮凝(共沉淀)法是通过添加阳离子型化学药剂，与水体中阴离子砷化合物形成不溶性沉淀与水分离，以达到砷污染去除的目的。目前国内外已有关于利用廉价材料吸附水中砷的研究，焚烧炉煤灰(Fan Yun Fana，Fu-ShenZhang，Yinan Feng，Journal of Hazardous Materials 159(2008)313-318)沸石岩(F.Ruggieri，V.Marín，D.Gimeno，Engineering Geology 101(2008)245-250)等均作为吸附材料用以去除水中砷污染。将工业废料经过一定的改性处理进行水中砷去除是一种简单易行，效果明显的水中砷污染的去除方法。同时，有学者关注利用铁盐等化学药剂絮凝(共沉淀)法除砷。(Yongfeng Jia，George P.Demopoulos，Water research42(2008)661-668)。目前，利用絮凝(共沉淀)和吸附法联合作用除砷的工作较少，本发明目的为利用工业废料和亚铁盐制备一种结合絮凝(共沉淀)和吸附法去除水中砷污染的药剂及该新型除砷药剂的应用方法。
赤泥是氧化铝生产过程中产生的矿物残渣，因其富含氧化铁(15～50％)呈红褐色而被称为赤泥。在氧化铝生产过程中，每生产1吨氧化铝就约有0.5～1.3吨的赤泥产生。近年我国氧化铝产业高速发展，2007年我国氧化铝达到1000万吨/年，2010年将达到1500吨/年。赤泥废弃物的年堆积量将达到1200万吨/年以上。堆存处置赤泥一方面耗费大量土地和资源，另一方面，由于其高碱含量，堆存处置赤泥对生态环境有较大的威胁。因此，将赤泥经过适当的改性活化用于水处理领域具有广泛的市场前景和良好的社会和环境效益。目前已有利用赤泥制备吸附材料的工作，例如，S.W Zhang等(S.W.Zhang，C.J.Liu，Z.K.Luan，X.J.Peng，Hazard.Mater.152(2008)，486-492.)通过酸、热活化，铁盐改性等方法提高赤泥的砷吸附能力。单纯吸附法的除砷效率低于混凝(沉淀)与吸附结合除砷的效率。同时，有研究利用铁盐与砷混凝(共沉淀)去除水中砷污染，其药剂投加量低，去除效率高，但是其絮体与水体分离能力差，工程应用困难。本发明提出的泥浆型铁基赤泥砷吸附药剂一方面具有较高的砷去除效率，另一方面具有良好的与水分离能力。其优势如下：
1)泥浆型铁基赤泥砷去除药剂制备和使用方法均简单易行，无需加热等耗能过程，也无需投加酸、碱用以改性赤泥，节约成本。
2)游离态亚铁可与砷发生作用，一方面可与砷形成共沉淀化合物，另一方面铁盐水解产生羟基铁水体凝胶(如：Fe(OH)2 +、FeOH2+、Fe2(OH)2 4+)，这类水合羟基铁氧化物对砷具有较强的亲和力且具有极大的比表面积，能高效吸附水中砷。
3)亚铁盐在好氧水体中逐渐氧化成三价铁盐，在转化过程中，亚铁可与三价砷进行协同氧化，并且，亚铁在氧化过程中可形成中间产物绿锈[Fe(1-x) IIFex III(OH)2]x+，该中间产物可高效吸附水中砷污染。
4)亚铁经过氧化和水解反应，具备一定的絮凝效果，从而强化该吸附材料与水分离的能力。同时，铁氧化物逐渐在赤泥表面聚集，增强了该药剂的沉降性能。
5)与该泥浆型砷去除药剂结合后的砷不易溶出，不易造成环境的二次污染。
因此，利用亚铁掺混赤泥制备泥浆型除砷药剂，可以兼顾高效去除砷污染的性能和优良的与水分离特性。
发明内容
本发明的目的在于：利用工业废料赤泥为主要原料，制备一种水体砷污染的廉价高效处置材料，高效去除砷污染的同时具备较好的与水分离能力，且吸附态砷形态稳定，不易造成二次污染。同时，以该材料为基础的水中砷去除工艺简单实用。
具体说明如下：
本发明所采用的的原料为赤泥和亚铁盐，赤泥为烧结法或拜耳法氧化铝工业废料，粉碎后即可用于泥浆型铁基赤泥砷吸附药剂的制备。亚铁为工业级、化学纯、分析纯或其他纯度的亚铁盐，可以为氯化亚铁、硫酸亚铁等化学形态的亚铁盐，实际应用中，可依实际情况选取亚铁盐的有效来源。
本发明新型除砷药剂的制备方法为通过机械力、水力或其他混合方式将赤泥与亚铁水溶液进行掺混。
本发明新型除砷药剂的施用方法为通过人工投加，机械喷洒或其他加药方式作用于砷污染水。该药剂于现场即配即用，原料可以固体形态赤泥及亚铁盐进行保存及运输。
本发明制备的新型除砷药剂为中性(pH＝7.0-8.0)材料，不改变待处理水的酸碱环境。经该材料处理后与水分离的砷形态稳定，不易再次溶出。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明“泥浆型铁基赤泥砷吸附药剂”的制备方法及应用工艺实例，进行进一步说明。
图1和图2分别是本发明实施例1和实施例2的工艺流程图。
本实施例1和例2由亚铁溶液加药罐1、赤泥加药罐2、药剂掺混罐3(图1)或药剂掺混管3(图2)、泥浆泵4、反应混合池5、沉降池6以及各部件相互连接的管路组成。其中，管路中的实心箭头为药剂和水流方向，虚线箭头为污泥回用和流动方向。
本实施例的工作过程为：
通过加药罐1和加药罐2向药剂掺混罐3(图1，例1)或药剂掺混管3(图2，例2)中加入一定量的粉碎态赤泥和亚铁溶液，通过机械力搅拌(图1，例1)或水力搅拌(图2，例2)，制备本发明“泥浆型铁基赤泥砷吸附药剂”。利用泥浆泵4向反应混合池5中喷洒加药。反应混合池5中与砷污染水均匀混合后，在沉降池6中静陈分离，上清液中砷浓度将大幅降低。沉降池6中污泥可部分回用至反应混合池5中。
本实施例1的具体实验参数为：
原水砷浓度：0.2mg/l
加药罐1中亚铁溶液浓度：0.8-1.2mol/l
加药罐1中亚铁溶液的流速为：0.8-1.2L/h
加药罐2中(粒径＜0.5mm)赤泥的投加速率为：1000-1200g/h
反应混合池5的进水量为：3-5t/h
反应混合池6的沉降时间为：3h
出水砷浓度为：0.02mg/l(国家标准0.05mg/l)
砷溶出率：N/A(pH＞4.5)
小于20％(3＜pH＜4.5)
大于70％(pH＜3)
本实施例2的具体实验参数为：
原水砷浓度：1mg/l
加药罐1中亚铁溶液浓度：0.8-1.2mol/l
加药罐1中亚铁溶液的流速为：2.4-3.6l/h
加药罐2中(粒径＜0.5mm)赤泥的投加速率为：3000-3600g/h
反应混合池5的进水量为：3-5t/h
反应混合池6的沉降时间为：3h
出水砷浓度为：0.03mg/l(国家标准0.05mg/l)
砷溶出率：N/A(pH＞4.5)
小于20％(3＜pH＜4.5)
大于70％(pH＜3)
通过该实施实例可以确定：利用本发明“泥浆型铁基赤泥砷吸附药剂”制备简单，除砷效率高，可以有效控制水中砷污染。利于砷污染水体的应急快速除砷。

Claims (5)

1.一种泥浆型铁基赤泥除砷剂的制备与应用方法，其特征在于：以氧化铝生产过程产生的废渣赤泥与亚铁盐为原料，以亚铁盐溶于水后掺混赤泥，制备泥浆状功能吸附材料，实地喷洒，其后与砷污染水混合，静置沉降，以去除水中砷污染。
2.根据权利要求1所述的赤泥，其特征在于可用于本发明的赤泥为拜耳法或烧结法赤泥。亚铁盐为氯化亚铁或硫酸亚铁，纯度为工业级、化学纯或分析纯。
3.根据权利要求1所述的泥浆型铁基赤泥除砷剂的制备方法，其特征在于吸附药剂主要组分及质量百分含量为：赤泥：36％-42％；亚铁盐：8％-12％；水：49％-51％。
4.根据权利要求1所述的泥浆型铁基赤泥除砷剂的制备步骤，其特征在于：将亚铁盐溶于水，将赤泥采用人工、机械或其他方法破碎，将一定量破碎后的赤泥与亚铁溶液采用机械、水力或其他混合方法掺混均匀即制得本发明新型除砷剂。其中，亚铁与赤泥掺混过程的原料投加次序和投加速率可根据实用要求确定。
5.根据权利要求1所述的泥浆型铁基赤泥除砷剂的应用方法，其特征在于现场制备药剂，采用人工投加，机械喷洒或其他方式作用于砷污染水。
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