CN102534224B - 一种分离固废中的重金属组分的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分离固废中的重金属组分的方法，包括如下步骤：(1)固废制浆：先将固废放入制浆釜并加入水充分搅拌得到固液充分混合的浆料；(2)浆料筛选：将混合好的浆料通过400～600目振动筛筛选；(3)预浸取：将筛选出的细料分成两部分，第一部分细料在充分搅拌的情况下，加入过量的酸，得到高酸度浆料，然后再在充分搅拌的情况下，将第二部分细料逐渐加入高酸度浆料中，并加入氧化剂；(4)空化浸取：控制浆料在脉冲超声波和水力空化条件下，空化处理5～30分钟后，物料中的重金属大部分浸取入液相，完成重金属组分的分离。本发明具有能量转换效率高、浸取效果好、酸用量少、浸取后物料含酸量低、容易进行后处理的特点。
Description
技术领域
本发明涉及重金属污染物中重金属组分的去除或分离方法，可用于重金属污染物的无害化及资源化处理，属于环保技术领域。
背景技术
城市污泥、河道污泥、冶金矿渣、垃圾焚烧炉灰渣、电镀污泥、线路板废水处理污泥等固废均含有不同含量和成分的重金属，如不对其进行无害化及资源化处理，不但会造成重金属污染，而且还会浪费重金属资源。随着工业发展速度的不断加快，各种重金属废弃物的产生量也会不断增加，这对环境安全提出了越来越大的挑战，对土壤和水环境的保护构成了不断加剧的威胁。因此，重金属废弃物的有效处理问题越来越得到全社会的关注。
固废中重金属的去除方法包括有机酸和无机酸的浸取，螯合剂的螯合，生物淋滤，电动修复和超临界流体萃取等技术。在这些技术中，加酸浸取去除法以处理操作过程简易、环境风险小以及大规模应用可行性高等优势而备受关注。但加酸浸取去除法，能量转换效率较低、浸取效果较差、酸用量较多等问题，直接影响了重金属的浸取。
发明内容
本发明的目的在于建立一种高效率、低能耗的超声和水力空化耦合协同浸取重金属的方法，有效解决重金属污染物中重金属组分的去除或分离问题。解决的方法是通过脉冲超声波和水力空化的耦合，以获得高效率的空化作用，用来强化重金属离子的浸取过程。脉冲超声波由于其产生较少的降低空化强度的微气泡簇，因而比连续超声波产生更强的空化作用和能量转换效率。因此，将脉冲超声波同水力空化耦合，可以得到更好的空化效果。而通过调整超声波脉冲参数以及水力空化参数、水力射流和超声波发射源的相对位置，则可以达到超声波和水力空化两种机制的最佳耦合效果。另一方面，通过对固废的预处理，将其同水混合成较均匀的浆料，并通过振动筛对浆料进行筛选，减少浆料中固体颗粒的大小，也可以促进空化作用对浸取过程的强化，达到理想的浸取效果。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种分离固废中的重金属组分的方法，包括如下步骤：
(1)固废制浆：先将固废放入制浆釜并加入水充分搅拌得到固液充分混合的浆料；
(2)浆料筛选：将混合好的浆料通过400～600目振动筛筛选；
(3)预浸取：将筛选出的细料分成两部分，第一部分细料在充分搅拌的情况下，加入过量的酸，得到高酸度浆料，然后再在充分搅拌的情况下，将第二部分细料逐渐加入高酸度浆料中，并加入氧化剂；
(4)空化浸取：控制浆料在脉冲超声波和水力空化条件下，空化处理5～30分钟后，物料中的重金属大部分浸取入液相，完成重金属组分的分离。
所述水力空化采用水力空化机构，水力空化机构为孔板、文丘里管、液哨中的一种或几种的组合。
所述组合的种类和数目、方式根据物料的性质、所含重金属的种类及含量、处理的要求进行选择。
所述的脉冲超声波发生源置于水力空化机构下游。
所述脉冲超声波发生源与相应孔板的距离根据物料的性质、所含重金属的种类及含量、处理的要求进行选择。
所述水力空化机构的进出口压力、物料在空化反应器的累积停留时间的控制参数根据物料的性质、所含重金属的种类及含量、处理的要求进行选择。
所述超声波的脉冲周期、占空比、频率及功率的控制参数根据物料的性质、所含重金属的种类及含量、处理的要求进行选择。
由于空化作用可以产生局部的高速微喷射流，固体颗粒表面在这种高速微喷射流的冲击下发生活化，在这种活化的固体表面上，固液相的反应过程被加速，因此，空化作用可以较高程度的强化重金属的浸取过程，因而可以在较低的酸度下得到较好的浸取效果，减低酸的用量，并有利于其后处理过程。超声波和水力空化均可以产生空化作用，超声波产生的空化作用强度较高，但产生空化作用的能耗较高，能量效率低，且空化作用的空间范围小，难于规模化。而水力空化能量效率较高，作用空间范围大，容易规模化，但空化作用强度较低，不易产生较好的作用效果。因此，将两种空化产生方式结合起来，发挥其协同作用，可以得到高效率、低能耗的空化效果。同时，对超声波的调制模式、水力空化的产生方式、两者的结合方式进行优化，以产生最佳的协同作用。
本发明相对于现有技术具有如下特点：能量转换效率高、浸取效果好、酸用量少、浸取后物料含酸量低、容易进行后处理等，很适合于对重金属污染物的进行无害化及资源化处理。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
某城市污水处理厂的剩余活性污泥含铜量为370mg/kg，含锌量为1620mg/kg，含铅量为682mg/kg，含水量为96.3％，其去除重金属的处理工艺如下：
1.先将污泥加入制浆釜并加入水充分搅拌半小时，制得固液充分混合的浆料，再将其用浓浆泵抽至400目振动筛进行筛选，筛出的粗料回到制浆釜再制浆。
2.将筛选出的细料分成两部分，第一部分在充分搅拌的情况下，加入40％硝酸进行预浸取，浸取时间为0.5-1小时，控制浸取终点的pH值为1.5，然后再在充分搅拌的情况下，将第二部分逐渐加入第一部分高酸度浆料中，控制加入的量使得整个浸取过程完成后的pH值为2.5-3.0，再搅拌1-1.5小时。
3.将混合的浆料反复输入脉冲超声和水力空化耦合空化反应器进行空化处理，控制浆料在空化反应器内的累积停留时间达到10-15分钟。空化处理完成后，物料中的重金属大部分浸取入液相。脉冲超声和水力空化耦合空化处理装置及工艺条件如下：
水力空化机构采用两个前后相继的多孔板，第一个多孔板孔径3.0mm，板厚12mm，孔面积与空化反应器管道横截面积之比0.085，第二个多孔板孔径2.5mm，板厚10mm，孔面积与空化反应器管道横截面积之比0.125，两个多孔板的距离同空化反应器管道横截面积之比2.5，空化反应器进口物料压力为0.80Mpa，出口压力为0.15Mpa。
空化反应器中采用两个分别位于两个多孔板下游探头式超声波发生器作为超声波发生源，第一个探头距第一个多孔板距离为10mm，超声波功率同空化反应器管道横截面积之比1.5w/cm2，频率60kH，脉冲周期200ms，占空比为0.05。第二个探头距第二个多孔板距离为15mm，超声波功率同空化反应器管道横截面积之比2.0w/cm2，频率100kH，脉冲周期150ms，占空比为0.03。
4.将处理好的物料进行固液分离，得到的固相含铜量低于150mg/kg，含锌量低于420mg/kg，含铅量低于230mg/kg，再通过厌氧消化后作为肥料农用。而得到的重金属液相可采用本发明的重金属组分的分离方法进行资源的回收处理。
实施例2
某炼锌厂冶金矿渣含锌量为3％，含铁量为12％，含水量为40％，其回收利用处理工艺如下：
1.先将矿渣粉碎至600目，再加入制浆釜并加入水使其总含水量达到90％，充分搅拌半小时，再将其用浓浆泵抽至600目振动筛进行筛选，筛出的粗料回到制浆釜再制浆。
2.将筛选出的细料分成两部分，第一部分在充分搅拌的情况下，加入31％的盐酸进行预浸取，浸取时间为1-1.5小时，控制浸取终点的pH值为
1.5，然后再在充分搅拌的情况下，将第二部分逐渐加入第一部分高酸度浆料中，控制加入的量使得整个浸取过程完成后的pH值为3.0-3.5，并加入一定量的双氧水，使其中的二价铁及硫化物完全氧化，再搅拌1.5-2小时。
3.将混合的浆料反复输入脉冲超声和水力空化耦合空化反应器进行空化处理，控制浆料在空化反应器内的累积停留时间达到15-20分钟。空化处理完成后，99％的锌进入液相，只有0.1％的铁进入固相，锌和铁分别在液相和固相中得到分离。脉冲超声和水力空化耦合空化处理装置及工艺条件如下：
水力空化机构采用两个前后相继的多孔板，第一个多孔板孔径3.0mm，板厚12mm，孔面积与空化反应器管道横截面积之比0.080，第一个多孔板孔径2.5mm，板厚10mm，孔面积与空化反应器管道横截面积之比0.12，两个多孔板的距离同空化反应器管道横截面积之比2，空化反应器进口物料压力为0.85Mpa，出口压力为0.15Mpa。
空化反应器中采用两个分别位于两个多孔板下游探头式超声波发生器作为超声波发生源，第一个探头距第一个多孔板距离为10mm，超声波功率同空化反应器管道横截面积之比2w/cm2，频率60kH，脉冲周期100ms，占空比为0.05。第二个探头距第二个多孔板距离为15mm，超声波功率同空化反应器管道横截面积之比2.5w/cm2，频率100kH，脉冲周期150ms，占空比为0.03。
4.将处理好的物料进行固液分离。
5.将固液分离后的液相通过硫化物沉淀铜、铅后，再将pH值调至4.5并使铁完全沉淀。
6.用压滤机进行固液分离，得到的液相浓缩后可得硫酸锌产品。
7.将固液分离后的固相加入盐酸，其中的铁即生成三氯化铁溶液，再进行固液分离，得到的液相通过简单处理后可作为废水处理的混凝剂使用。
8.分离出的固相中重金属已经得到去除，达到无害化标准。
实施例3
某电镀厂的废弃污泥含镍量为2.1％，含铜量为1.5％，含锌量为1.4％，含铁量为2.5％，含铬量为3.0％，含水量为60％，其回收利用处理工艺如下：
1.先将污泥加入制浆釜充分搅拌半小时，再将其用浓浆泵抽至600目振动筛进行筛选，筛出的粗料回到制浆釜再制浆。
2.将筛选出的细料在80℃的情况下进行曝气处理，使其中的二价铁氧化成为三价铁。
3.将曝气后的物料分成两部分，第一部分在充分搅拌的情况下，加入硫酸进行预浸取，浸取时间为0.5-1小时，控制浸取终点的pH值为1.5，然后再在充分搅拌的情况下，将第二部分逐渐加入第一部分高酸度浆料中，控制加入的量使得第四步空化浸取过程完成后的pH值为3.2，再搅拌1-1.5小时。
4.将上一步混合的浆料反复输入脉冲超声和水力空化耦合空化反应器进行空化处理，控制浆料在空化反应器内的累积停留时间达到8-10分钟。空化处理完成后，物料中的铜，镍，锌几乎都被浸出，铬也部分浸出，但大部分的铬和铁仍在浸出渣中。脉冲超声和水力空化耦合空化处理装置及工艺条件如下：
水力空化机构采用两个前后相继的多孔板，第一个多孔板孔径3.0mm，板厚12mm，孔面积与空化反应器管道横截面积之比0.085，第二个多孔板孔径2.5mm，板厚10mm，孔面积与空化反应器管道横截面积之比0.125，两个多孔板的距离同空化反应器管道横截面积之比2，空化反应器进口物料压力为0.75Mpa，出口压力为0.15Mpa。
空化反应器中采用两个分别位于两个多孔板下游探头式超声波发生器作为超声波发生源，第一个探头距第一个多孔板距离为10mm，超声波功率同空化反应器管道横截面积之比1.5w/cm2，频率40kH，脉冲周期200ms，占空比为0.1。第二个探头距第二个多孔板距离为15mm，超声波功率同空化反应器管道横截面积之比2.0w/cm2，频率60kH，脉冲周期150ms，占空比为0.08。
5.进行固液分离，在固液分离后的固相中通入水冲洗，将固相中的吸附的铜、镍、锌和铬洗入水中，产生的冲洗液用于步骤1的制浆过程。
6.将冲洗后的固相相通过氧化、碱浸、纯化、结晶后得到浓缩后分别得到重铬酸钠和三氯化铁产品。
7.再将第二步曝气后的物料在充分搅拌的情况下，逐渐加入第五步固液分离达到的含铜、镍、锌、铬的液相中，控制加入的量使得下一步空化浸取过程完成后的pH值为4.0，再搅拌1-1.5小时。
8.将上一步混合的浆料反复输入脉冲超声和水力空化耦合空化反应器进行空化处理，控制浆料在空化反应器内的累积停留时间达到10-12分钟。空化处理完成后，液相中的铬和铁杂质几乎全部被沉淀至固相中，而大部分的Cu，Ni，Zn仍存在于浸出液中。
脉冲超声和水力空化耦合空化处理装置及工艺条件如下：
水力空化机构采用两个前后相继的多孔板，第一个多孔板孔径3.0mm，板厚12mm，孔面积与空化反应器管道横截面积之比0.085，第二个多孔板孔径2.5mm，板厚10mm，孔面积与空化反应器管道横截面积之比0.125，两个多孔板的距离同空化反应器管道横截面积之比2，空化反应器进口物料压力为0.8Mpa，出口压力为0.15Mpa。
空化反应器中采用两个分别位于两个多孔板下游探头式超声波发生器作为超声波发生源，第一个探头距第一个多孔板距离为10mm，超声波功率同空化反应器管道横截面积之比1w/cm2，频率40kH，脉冲周期200ms，占空比为0.1。第二个探头距第二个多孔板距离为15mm，超声波功率同空化反应器管道横截面积之比1.5w/cm2，频率60kH，脉冲周期150ms，占空比为0.08。
9.进行固液分离，将固液分离的固相滤渣重新返回到第一步。而固液分离后的液相由于几乎只含有铜、镍和锌，可以再通过萃取分离、纯化后得到硫酸铜、硫酸镍、硫酸锌产品。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种分离固废中的重金属组分的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)固废制浆：先将固废放入制浆釜并加入水充分搅拌得到固液充分混合的浆料；
(2)浆料筛选：将混合好的浆料通过400～600目振动筛筛选；
(3)预浸取：将筛选出的细料分成两部分，第一部分细料在充分搅拌的情况下，加入过量的酸，得到高酸度浆料，然后再在充分搅拌的情况下，将第二部分细料逐渐加入高酸度浆料中，并加入氧化剂；
(4)空化浸取：控制浆料在脉冲超声波和水力空化条件下，空化处理5～30分钟后，物料中的重金属大部分浸取入液相，完成重金属组分的分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水力空化采用水力空化机构，水力空化机构为孔板、文丘里管、液哨中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述组合的种类和数目、方式根据物料的性质、所含重金属的种类及含量、处理的要求进行选择。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述的脉冲超声波发生源置于水力空化机构下游。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述脉冲超声波发生源与相应孔板的距离根据物料的性质、所含重金属的种类及含量、处理的要求进行选择。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述水力空化机构的进出口压力、物料在空化反应器的累积停留时间的控制参数根据物料的性质、所含重金属的种类及含量、处理的要求进行选择。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述超声波的脉冲周期、占空比、频率及功率的控制参数根据物料的性质、所含重金属的种类及含量、处理的要求进行选择。
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