CN106103360A - 从废水中除去硫酸盐的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种从废水中除去硫酸盐、钙和/或其他可溶性金属的方法和设备,其中NaOH和Al(OH)3在至少60℃的温度下接触,并且摩尔比NaOH:Al(OH)3是至少1.0,来用于制备铝酸钠,该废水与所获得的铝酸钠和第一钙化合物接触来生产含有钙钒石的淤浆,对含有钙钒石的淤浆进行固体‑液体分离来使固体与液体分离,由此生产第一溶液,使第一溶液与碳酸化剂接触,来中和第一溶液和作为碳酸钙沉淀第一溶液所含的钙,和进行固体‑液体分离以使沉淀的碳酸钙与第一溶液分离,以获得具有降低的硫酸盐、钙和/或其他可溶性金属含量的水。
Description
发明领域
本发明涉及一种从废水中除去硫酸盐,钙和/或其他可溶性金属的方法,和更具体地涉及一种使用铝酸钠从废水中除去硫酸盐,钙和/或其他可溶性金属的方法。
发明背景
铝酸钠化学品是所谓的钙钒石沉淀方法中所需的,其用于从水中,特别是从采矿工业废水中除去硫酸盐和钙。钙钒石沉淀方法是一种有效的从废水中除去硫酸盐至远低于使用传统石膏沉淀方法所能够达到的水平的方法。但是,铝酸钠可以是昂贵的,并且在其中需要的全部场合并非总是容易获得的。
公开文献WO98/55405公开了一种从水流中除去硫酸盐和钙的方法,其包括步骤:将水流与一定量的无定形三氢氧化铝(Al(OH)3)合并;使其形成作为沉淀物的钙钒石和从该水流中除去沉淀的钙钒石。该水流也可以与一定量的氢氧化铝和一定量的石灰(CaO)二者合并。该方法可以包括脱过饱和步骤,其可以包括使水流通过高固体沉淀器来引起硫酸钙在石膏上以硫酸钙二水合物(石膏)的可见形式沉淀。该方法还可以包括后处理步骤:将二氧化碳加入水流中,来将溶解的石灰作为碳酸钙来沉淀和降低该水流的pH。
公开文献DE3709950公开了一种通过用铝酸根离子在钙离子存在下沉淀难溶的硫铝酸钙,来从废水中分离硫酸根离子的方法。铝酸根离子的来源是铝酸钠或者含有铝酸钠的材料。除了铝酸钠或者含有铝酸钠的材料之外,还加入石灰。由此可以使用Ca(OH)2和CaO。虽然公开文献DE3709950公开了铝酸钠可以使用Al(OH)2和氢氧化钠来制备,但是它没有提供关于所述方法的任何合适的参数和它们对于钙钒石沉淀方法可能的影响。
发明内容
本发明的一个目标因此是提供一种方法和执行该方法的设备,来减轻上述缺点。本发明的目标是通过特征是独立权利要求所述的方法和装置来实现的。本发明优选的实施方案公开在从属权利要求中。
本发明基于原位生产铝酸钠和将它用于硫酸盐除去方法的理念。更具体的,本发明基于使用特定组合的加工参数来原位生产铝酸钠和将因此获得的铝酸钠用于其后硫酸盐除去方法的理念。
铝酸钠是昂贵的,并且在钙钒石沉淀方法所需的全部场合并非必然容易获得的。但是,用于铝酸钠的原料NaOH和Al(OH)3是容易获得的和不太昂贵的。原位制备铝酸钠产生了更小的碳足迹,因为不再需要转移更稀的铝酸钠溶液。
本发明的方法和装置的另一优点是当使用根据本发明所制备的铝酸钠时,用较少量的沉淀化学品来实现了废水中硫酸盐含量明显的降低。必需存在于市售铝酸钠中的稳定剂看起来干扰了钙钒石沉淀反应,由此导致较低的硫酸盐除去率。在铝酸钠制备方法中使用本发明和加工参数,铝酸钠的反应性处于优异的水平。
本发明的另一优点是当铝酸钠是在本发明的条件中生产时,在制备反应后最小量的残留Al(OH)3保留在该铝酸钠溶液中。这意味着在铝酸钠中存在着更高浓度的可溶性铝。
还令人惊讶地发现使用本发明,可以使得来自于钙钒石方法的滤出液中可溶性铝和钠的量最小化。还令人惊讶地发现铝酸钠溶液中未反应的Al(OH)3在钙钒石沉淀步骤中不具有不利的效果,它也不与钙钒石盐进一步反应,如本领域技术人员所预期的那样。因此发现一种简单的方法,其中在形成铝酸钠之后和在它用于钙钒石沉淀步骤之前,不需要过滤来除去未反应的固体物质。
附图说明
在下面的本发明将依靠优选的实施方案和参考附图来更详细的说明,其中
图1是本发明的一种示例性实施方案;
图2是作为反应温度和NaOH:Al(OH)3-摩尔比的函数,反应后残留固体[g/l]的轮廓绘图;
图3是一个图,其显示了作为Al/SO4-摩尔比的函数,在15min反应时间后残留硫酸盐的量;
图4是一个图,其显示了作为Al/SO4-摩尔比的函数,在30min反应时间后残留硫酸盐的量;
图5是一个图,其显示了作为Al/SO4-摩尔比的函数,在60min反应时间后残留硫酸盐的量;
图6是一个图,其显示了作为Al/初始SO4-摩尔比的函数,在30min反应时间后残留的Al;
图7是一个图,其显示了作为Al/初始SO4-摩尔比的函数,在30min反应时间后残留的Na。
具体实施方式
本发明涉及一种处理废水的方法,特别是通过从废水中分离硫酸盐,钙和/或其他可溶性金属的方法。该方法包括以下步骤:
a)铝酸钠制备步骤,其中NaOH和Al(OH)3在至少60℃的温度下接触,并且摩尔比NaOH:Al(OH)3是至少1.0,来制备铝酸钠,
b)钙钒石沉淀步骤,其中将废水与所获得的铝酸钠和第一钙化合物接触,来生产含有钙钒石的淤浆,
c)第一分离步骤,其中对含有钙钒石的淤浆进行固体-液体分离,来使固体与液体分离,由此生产第一溶液,
d)中和步骤,其中将第一溶液与碳酸化剂接触来中和第一溶液和作为碳酸钙沉淀第一溶液中所含的钙,和
e)第二分离步骤,其中进行固体-液体分离来使沉淀的碳酸钙与第一溶液分离,来获得具有降低的硫酸盐、钙和/或其他可溶性金属含量的水。
本发明的方法基于原位制备铝酸钠和将它用于钙钒石沉淀方法的理念。用于铝酸钠制备步骤的加工参数对于所制备的铝酸钠的性能和由此也对于钙钒石沉淀方法的结果具有有利的结果。
该废水可以是任何水,从其中期望的是除去硫酸盐,典型的是硫酸盐,钙和/或其他可溶性金属。典型的该废水是加工水或者流出物,更典型的该废水是含硫酸盐的水,例如采矿水,来自于冷凝器的再循环水或者来自于冷凝器的排出水。
本发明的方法特别适于处理来自于冷凝器的废水,这里硫酸盐是再循环或排出流中的问题。冷凝器的设备水中的问题是同时高的硫酸盐和钙负荷,这使得本发明的结构是可行的。
在铝酸钠制备步骤中,NaOH和Al(OH)3在至少60℃的温度下接触,并且摩尔比NaOH:Al(OH)3是至少1.0,来制备铝酸钠。NaOH典型地是作为液体使用的,和Al(OH)3典型地处于粉末形式。这两种试剂典型地在反应器中接触,典型的在这样的反应器中接触,其可以加热和其包括混合装置例如机械混合器。反应温度保持在至少60℃,典型地至少90℃,更典型地至少95℃。摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.0,典型地至少1.2,更典型地至少1.25的值。该摩尔比的上限典型地是最大2.0,更典型地最大1.5。典型地该反应的温度是60-180℃,更典型地85-125℃,仍然更典型地90-105℃,甚至更典型地95-105℃。摩尔比NaOH:Al(OH)3典型地是1.0-2.0,更典型地1.2-1.5,甚至更典型地1.2-1.40,仍然更典型地1.25-1.4。令人惊讶地发现如果反应温度保持在至少60℃,典型地至少90℃,更典型地至少95℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.0,典型地至少1.2,更典型地至少1.25的值,则反应后保留的残留固体的量明显下降。但是,还发现如果所用的摩尔比大于2.0,典型地大于1.5,则在钙钒石沉淀后所获得的处理过的水中钠含量升高到不期望的高水平。还令人惊讶地发现当铝酸钠是在其中反应温度保持在至少60℃,典型地至少90℃,更典型地至少95℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.0,典型地至少1.2,更典型地至少1.25的值的条件制备时,所处理的水中硫酸盐的量明显低于使用市售铝酸钠时的情况。
根据本发明的一种实施方案,铝酸钠制备步骤中的温度保持在至少90℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.2的值,典型地该温度保持在至少95℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.25的值。
根据本发明的一种实施方案,铝酸钠制备步骤中的温度保持在60-180℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.0-2.0,典型地该温度是85-125℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.2-1.5,更典型地该温度是90-105℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.2-1.4,仍然更典型地该温度是95-105℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.25-1.40。
典型地将热以本领域已知的任何合适的方式提供到铝酸钠制备步骤。
当铝酸钠是根据本发明制备时,铝酸钠溶液中未反应的Al(OH)3的量典型地小于10%。更典型地,当铝酸钠反应的温度是至少95℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3是至少1.25时,未反应的Al(OH)3的量典型地低至小于3.5%。即使铝酸钠含有一些未反应的Al(OH)3,也令人惊讶的发现这不影响随后步骤中的钙钒石沉淀反应。因此,在铝酸钠溶液可以供给到钙钒石沉淀步骤之前,不需要单独的过滤步骤。
该铝酸钠制备步骤的保持时间典型地是15min-120min,典型地30-90min。
通过本发明方法所实现的另一优点是在铝酸钠制备中,钠的用量可以容易地控制,因此铝酸钠可以使用反应所需最低可能量的钠来制备。
在制备该铝酸钠后,它可以直接用于钙钒石沉淀步骤或者任选地它可以以任何合适的方式存储高达7天。典型地在用于钙钒石沉淀步骤之前,该铝酸钠存储小于24小时。如果所制备的铝酸钠在它制备7天内用于钙钒石沉淀步骤,则铝酸钠的反应性仍然处于合适的水平。其后氢氧化铝开始从铝酸钠溶液沉淀出来,由此降低了钙钒石沉淀步骤中钙钒石沉淀反应的结果。
在制备该铝酸钠和任选的存储之后,将该铝酸钠溶液稀释到合适的浓度。该稀释典型地是通过加水到铝酸钠溶液中来进行的。典型地钙钒石沉淀步骤所用的铝酸钠溶液包含10-12.5重量%的铝,更典型地10.5-12.0重量%。
在该钙钒石沉淀步骤中,如上所述,淤浆所含的残留硫酸盐用铝酸钠沉淀到期望的水平。最低可达到的水平是10mg/L的硫酸盐。还可能的是在钙钒石沉淀步骤中从水中沉淀其他硫酸盐例如钾和钠硫酸盐。硫酸盐是作为钙钒石,通过加入所获得的铝酸钠和钙化合物,典型地在pH10.5-12.5下沉淀的。
钙钒石根据以下等式沉淀:
2Al3++6Ca2++3SO4 2-+34H2O->Ca6Al2(SO4)3(OH)12*26H2O+4H+ (1)
根据本发明的一种实施方案,在钙钒石沉淀步骤中的保持时间典型地是10-60分钟,更典型地15-30分钟。
根据本发明的一种实施方案,在钙钒石沉淀步骤中,摩尔比Al3+/SO4 2-典型地是大约2:3-1:1。
根据本发明的一种实施方案,固体-液体分离是通过沉降,过滤,澄清,滗析,通过使用水力旋流器和/或通过使用溶解的空气浮选来进行的。澄清器可以例如是具有优化的供料壁设计的常规的圆形澄清器,或者薄片类型的澄清器。过滤器典型地选自压滤机(垂直或水平压滤机),以及可以考虑带过滤机。
所述固体的组成取决于供水的组成。根据本发明的一种实施方案,在第一分离步骤中分离的固体包含钙钒石,任选的石膏和任选的碳酸钙,金属氢氧化物和存在于到所述方法供料中的其他惰性组分。第一分离步骤所分离的固体中石膏的存在取决于是否存在着另外的石膏除去步骤。该石膏沉淀步骤中所形成的固体典型地包含作为氢氧化物的金属,例如作为氢氧化物的重金属和石膏。例如铜和其他可溶性金属存在于供料沉淀物中,典型地作为相应的氢氧化物已经存在于石膏沉淀步骤中。该第一分离步骤中所分离的固体可以掩埋处理。石膏和钙钒石固体有利地堆叠在单个堆叠区域中,因为石膏充当了用于钙钒石的稳定化合物。
根据本发明的一种实施方案,第一分离步骤所分离的一部分或者全部固体再循环回到任选的石膏沉淀步骤和/或钙钒石沉淀步骤。下溢物,即,来自于第一分离步骤的固体的再循环是所谓的种子再循环。通过这样做,沉淀物的粒度变大,并且这提供了更易于沉降的淤浆,换言之,从其中更容易分离固体的淤浆。
在中和步骤中,第一溶液与碳酸化剂接触来中和该第一溶液,和作为碳酸钙沉淀该第一溶液所含的钙。典型地该碳酸化剂是任何合适的碳酸化剂例如CO2,碳酸钠或者碳酸氢钠。更典型地该碳酸化剂是CO2。该中和步骤典型地通过加入CO2到该第一溶液来降低pH和作为碳酸钙(CaCO3)将钙沉淀来进行。如果钙浓度(Ca硬度)需要进一步降低,则可以将氢氧化钠(NaOH)或者其他碱流加入该方法步骤中,由此通过增加碱度和避免pH降低到对于CaCO3沉淀来说不利的区间,低于pH8-9,来允许作为CaCO3进一步除去Ca。中和步骤的保持时间典型地是5-15分钟。
根据本发明的一种实施方案,在中和步骤中,第一溶液与碱例如氢氧化钠接触,来增加作为碳酸钙的钙沉淀。二氧化碳用于中和所述溶液和从该溶液中除去钙硬度二者。用于CO2中和的中和和钙沉淀反应可以通过下面的等式来汇总:
CO2+H2O->CO3 2-+2H+ (2)
CO3 2-+Ca2+->CaCO3 (3)
H++OH-->H2O (4)
钙钒石和任选的石膏是在中和步骤之前分离的,因为pH的降低增加了沉淀的钙钒石的溶解度。可以将碳酸钙固体再循环到所述方法开始,来用作待加工的酸性废水的中和剂。碳酸钙也可以用于产生用于石膏和钙钒石残留物的碱缓冲能力。
第二分离步骤可以通过固体-液体分离来进行,例如如上所述。
废水的钙含量降低到期望的水平。废水中钙含量的例子可以低于10mg/l。
在铝酸钠制备步骤和/或钙钒石沉淀步骤之前,该方法还可以包括任选的石膏沉淀步骤,其中废水与钙化合物接触来生产含有石膏的淤浆。任选地在供给到钙钒石沉淀步骤之前,所形成的石膏可以从淤浆中除去。
根据本发明的一种实施方案,用于石膏沉淀步骤和/或钙钒石沉淀步骤的钙化合物独立地选自氢氧化钙,氧化钙,碳酸钙及其任意混合物。
典型地该石膏沉淀步骤中的钙化合物是氢氧化钙,其允许除去可溶性硫酸盐,这取决于可溶性硫酸盐物质的抗衡阳离子,特别是K,Na和Ca的pH相关的溶解性。来自于该溶液的硫酸盐和金属杂质将典型地根据下面的等式来沉淀:
SO4 2-+Ca(OH)2+Me+/Me2+/Me3+->MeOH/Me(OH)2/Me(OH)3+CaSO4 (5)
其中Me是金属。
根据本发明的一种实施方案,该钙钒石沉淀步骤可以在含有石膏的淤浆中进行,即,没有任选的石膏除去步骤。钙钒石在pH低于10时具有溶解的倾向。根据本发明的一种实施方案,淤浆中的石膏含量可以稳定所述固体和防止钙钒石在掩埋过程中沥滤,因此原因,有时候可行地是在含石膏的淤浆中进行钙钒石沉淀。这的一个优点是实现了更容易沉降的沉淀物和此外在过滤过程中形成了更压实和低湿的沉淀物。
根据本发明的一方面,本发明还涉及一种从废水中除去硫酸盐,更典型地除去硫酸盐,钙和/或其他可溶性金属的设备,该设备包括:
a)铝酸钠制备单元,其用于通过将NaOH和Al(OH)3在至少60℃的温度接触,并且摩尔比NaOH:Al(OH)3是至少1.0来制备铝酸钠,
b)钙钒石沉淀单元,其用于通过将该废水与所获得的铝酸钠和第一钙化合物接触,来生产含有钙钒石的淤浆,
c)第一分离单元,其用于通过使固体与液体分离对该含有钙钒石的淤浆进行固体-液体分离,来生产第一溶液,
d)中和单元,其用于通过将该第一溶液与碳酸化剂接触来中和该第一溶液和由此作为碳酸钙沉淀该第一溶液所含的钙,和
e)第二分离单元,其用于通过使沉淀的碳酸钙与第一溶液分离来进行固体-液体分离,和由此获得具有降低的硫酸盐、钙和/或其他可溶性金属含量的水。
根据一种实施方案,铝酸钠制备单元中的温度保持在至少9℃,典型地至少95℃。
根据本发明的另一实施方案,摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.2,典型地至少1.25的值。
根据本发明的一种实施方案,铝酸钠制备单元中的温度保持在至少90℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.2的值,典型地该温度保持在至少95℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.25的值。
典型地在铝酸钠制备单元中,温度保持在60-180℃,更典型地85-125℃,仍然更典型地90-105℃,甚至更典型地95-105℃。典型地摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.0-2.0,更典型地1.2-1.5,甚至更典型地1.2-1.4,仍然更典型的1.25-1.4。
根据本发明的一种实施方案,铝酸钠制备单元中的温度保持在60-180℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.0-2.0,典型地该温度是85-125℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.2-1.5,更典型地该温度是90-105℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.2-1.4,仍然更典型地该温度是95-105℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.25-1.4。
根据本发明的一种实施方案,该设备包括用于进行上述方法步骤的装置。
根据本发明的一种实施方案,该设备包括储槽,用于在铝酸钠用于钙钒石沉淀单元之前存储铝酸钠。
根据本发明的一种实施方案,该设备包括在钙钒石沉淀单元b)之前的石膏沉淀单元a’),该石膏沉淀单元用于将废水与第二钙化合物接触来沉淀石膏。
根据本发明的一种实施方案,该设备包括在石膏沉淀单元a’)和钙钒石沉淀单元b)之间任选的石膏除去单元a”)。该石膏除去单元用于进行固体-液体分离,来从淤浆中除去沉淀的石膏。典型地该石膏除去单元是澄清器。絮凝剂典型地用于帮助沉淀物在澄清器中沉降。
典型地该石膏沉淀单元包括搅拌反应器槽和必需的入口和出口,用于提供和回收加工流。
典型地该钙钒石沉淀单元还包括搅拌反应器槽和必需的入口和出口,用于提供和回收加工流。
该第一和第二分离单元典型地包括任何合适的用于使固体与液体分离的装置,例如沉降装置,过滤器,澄清器,薄片澄清器,水力旋流器,滗析器或者DAF(溶解的空气浮选)。一种或多种的这些装置可以在需要时以任何组合来使用。典型地分离单元包括澄清器,例如常规的具有优化的供料壁设计的圆形澄清器,随后是过滤单元,来进一步对所产生的澄清器下溢物脱水。
中和单元典型地包括碳酸化盆或者搅拌槽反应器。
附图标记列表
2 加工水
4 第二钙化合物
6 石膏沉淀步骤
9 第一钙化合物
10 钙钒石沉淀步骤
12 第一固体-液体分离步骤
14 絮凝剂
13 下溢物
16 过滤器
18 滤出液水
20 固体产物
22 固体再循环
24 碳酸化剂
26 中和步骤
28 第二固体-液体分离
30 固体再循环
32 经处理的水
100 铝酸钠制备步骤
101 氢氧化钠(NaOH)
102 氢氧化铝(Al(OH)3)
103 热
参见图1,其是本发明的一种示例性实施方案,在该方法中,待加工的水(即加工水2)可以任选地供给到石膏沉淀步骤6(以虚线表示),其典型地是石膏反应器。如果存在石膏沉淀步骤6,则第二钙化合物4(典型地是石灰乳(氢氧化钙))也供给到石膏反应器,由此沉淀石膏。形成了含有石膏的淤浆,并且该淤浆可以供给到钙钒石沉淀步骤10,其典型地是一种钙钒石反应器。所形成的石膏也可以在将水供给到钙钒石沉淀步骤之前从淤浆中除去。图中未显示该任选的石膏除去步骤。如果不存在石膏沉淀步骤,则加工水2(即待处理的废水)直接供给到钙钒石沉淀步骤10。
将氢氧化钠(NaOH)101和氢氧化铝(Al(OH)3)102供给到铝酸钠制备步骤100,其中它们接触,典型地在包括混合装置的可加热反应器中接触。热103还提供到铝酸钠制备步骤100。该反应器的温度保持在至少90℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3是至少1.2。形成铝酸钠,并且直接供给到钙钒石沉淀步骤或者存储,可能在临时储槽(图中未示出)中存储高达7天。
如果存在石膏沉淀步骤,并且沉淀的石膏尚未分离,则所形成的铝酸钠和第一钙化合物9(典型地氢氧化钙)供给到钙钒石沉淀步骤10,由此生产含有钙钒石和任选的石膏的第二淤浆。该第二淤浆进行第一固体-液体分离步骤12,其典型地通过澄清器进行。絮凝剂14也可以供给到澄清器。从该第一固体-液体分离步骤12,将下溢物13供给到过滤器16和/或返回到钙钒石沉淀步骤10和/或到任选的石膏沉淀步骤6,作为固体再循环22中的种子。在过滤步骤16中,过滤该下溢物,由此生产固体产物20(其含有石膏,钙钒石和沉淀形式的可溶性金属)和滤出液水18。该滤出液水18传送回第一固体-液体分离步骤12。来自于第一固体-液体分离步骤12的上溢物传送到中和步骤26,其典型地在中和反应器中进行。碳酸化剂(典型的是二氧化碳)24供给到中和步骤26,由此中和所述溶液和将该溶液所含的钙作为碳酸钙进行沉淀。进一步除去钙可以通过任选地加入碱到中和步骤来实现,典型地碱是氢氧化钠。将来自于中和步骤的溶液传送到第二固体-液体分离步骤28,其中该沉淀的碳酸钙与水分离,由此生产经处理的水32。在该第二固体-液体分离步骤所获得的固体可以任选地传送到石膏沉淀步骤6和用作固体再循环30和/或到钙钒石沉淀步骤10。
实施例
用于铝酸钠制备的实验
进行了实验组来研究铝酸钠的制备。改变两个主要的变量:摩尔比NaOH:Al(OH)3(1-1.5,这里>1表示超过化学计量比的比率)和反应温度(70-120℃)。归因于氢氧化钠溶液的高沸点,可以在大气压进行实验。
表1.实验设置
Na/Al-摩尔比 | Al(OH)3[g] | 反应温度[℃] | 稀释水[g] | |
EXP1 | 1.500 | 495 | 120 | 180 |
EXP2 | 1.500 | 495 | 70 | 180 |
EXP3 | 1.250 | 592 | 120 | 364 |
EXP4 | 1.250 | 592 | 95 | 364 |
EXP5 | 1.250 | 592 | 70 | 364 |
EXP6 | 1.000 | 740 | 120 | 646 |
EXP7 | 1.000 | 740 | 70 | 646 |
EXP8 | 1.375 | 540 | 107 | 265 |
实验
首先将氢氧化钠(50%溶液,工业级)加热高至50℃。加入Al(OH)3。
在加入Al(OH)3粉末后,将该混合物加热到表1所示的反应温度。测试了70℃,95℃,107℃或者120℃的温度。将混合物在反应温度保持60min。
混合物首先冷却到90℃(在反应温度高于90℃的情况中)和其后,加入稀释水来在EXP1-EXP8的全部实验中将总铝浓度固定到11.9重量%的Al。
结果
在铝酸钠溶液冷却后,分析了残留固体的量和残留固体的X射线衍射(XRD)分析。
已经发现如果NaOH:Al(OH)3-摩尔比低于1.25,则未反应的残留固体的量明显增加;当反应温度是120℃时,摩尔比1.25产生了残留固体3.2g/L,与之相比摩尔比1.00产生了残留固体203.9g/L。结果显示在图2中,其是作为反应温度和NaOH:Al(OH)3-摩尔比的函数,反应后残留固体[g/l]的轮廓绘图。
用XRD分析了不同实验的残留固体。在全部情况中,残留固体是100%的Al(OH)3,这样在铝酸钠生产过程中没有形成任何不溶性反应产物,并且残留固体确实是未反应的Al(OH)3。
表3.硫酸盐除去测试固体和XRD分析结果
已经发现最合适的反应条件是T>90℃,优选T>95℃和NaOH:Al(OH)3-摩尔比>1.2,优选>1.25。
接着是铝酸钠样品的7天稳定性。已经发现正确生产的铝酸钠在需要时可以存储高到7天。
钙钒石沉淀中所形成的铝酸钠的测试
合成硫酸盐废水是通过用60ml的Ca(OH)2浆体(300g/l)中和H2SO4溶液(在7L水中6.17ml的98%H2SO4)来产生的。在中和后,分析溶液的SO4浓度(用0.45μm过滤器过滤)。该废水的硫酸盐浓度是1550mg/l。
钙钒石沉淀是通过加入9.25ml的未过滤的铝酸钠溶液到硫酸盐废水中来进行的。计算铝酸钠剂量,以使得残留硫酸盐水平将是250mg/l。
反应时间是30min。在取反应样品后,分析残留硫酸盐。结果显示在表4中。可以看到当铝酸钠是在所述条件(其中反应后尽可能少的残留Al(OH)3保留在铝酸钠溶液中,即铝酸钠中更高浓度的可溶性Al)生产,它也在钙钒石沉淀表现更佳。还可以看到铝酸钠溶液中未反应的Al(OH)3在钙钒石沉淀中不反应,如所预期的那样。另一方面,任何剩余的少量Al(OH)3残留物不干扰钙钒石沉淀,这意味着不需要过滤。
表4.硫酸盐除去测试固体和XRD分析结果
实施例:从实际的工业废水中除去硫酸盐
初始废水的分析显示在下表5中。在第一中和方法(即石膏沉淀)后取样。
表5.废水样品的分析
在钙钒石沉淀方法之前,将一部分的硫酸盐首先用CaO浆体作为石膏进行沉淀。
该石膏沉淀是用CaO进行的。在石膏沉淀调整后,过滤所述批次,并且将滤出液然后取到钙钒石沉淀。
在下表6中,显示了初始废水和送到钙钒石沉淀的滤出液的分析
表6.初始废水的分析和石膏沉淀后滤出液的分析
钙钒石沉淀
钙钒石沉淀实验是用三种不同的Al化学品进行的:Al(OH)3-浆体(200g/l),Outotec的铝酸钠和市售铝酸钠。三种不同剂量用于每种Al化学品。
首先测量了来自于石膏沉淀的3L废水,并且加入钙钒石沉淀所需的CaO(27ml的200g CaO/L浆体)。在加入铝化学品之前,将CaO浆体和废水混合30min。加入铝化学品,并且其后继续混合30min。
图3-5显示了来自于钙钒石沉淀实验的结果。在钙钒石沉淀后残留硫酸盐的目标是250mg SO4/L。可以看到15min,30min或者60min反应时间Al(OH)3没有除去任何硫酸盐。使用Al(OH)3,将需要明显更长的反应时间。
用两种不同的铝酸钠进行的实验显示了使用铝酸钠的钙钒石沉淀是非常快的。沉淀反应在15-30min内结束。关注的发现是Outotec的原位铝酸钠的消耗小于市售的铝酸钠。市售铝酸钠产品是用例如有机酸(酒石酸,葡糖酸等)稳定来赋予它们更长的存储寿命。如果不使用稳定剂,则Al(OH)3从铝酸钠溶液中沉淀出来。很显然这些稳定剂干扰了钙钒石沉淀和所以需要更高的剂量来获得与非稳定的Outotec的原位铝酸钠相同的效果。从该结果可见,使用Outotec的原位铝酸钠,所需的Al/SO4摩尔比(即Al剂量与废水中的SO4的摩尔比)将是0.60,使用市售铝酸钠,所需比率将是0.66。这个发现给出了Outotec的原位铝酸钠生产的额外的益处。
在钙钒石沉淀后残留Al和Na显示在图6和7中。可以看到当使用Outotec的原位铝酸钠时,残留Al和Na(二者都涉及铝酸钠的使用)小于市售铝酸钠的情况。这归因于这样的事实,即,对于相同水平的SO4除去来说,需要使用较少的Outotec产品,和因为Outotec的产品不包含任何稳定剂,可以充分使用铝。在市售铝酸钠的情况中,稳定剂防止了部分的铝作为钙钒石沉淀,和因此一些铝作为可溶性Al保留在溶液中。
表7显示了在不同处理步骤的废水分析。可以看到当使用Outotec的原位铝酸钠时,0.609的Al/SO4摩尔比足够大来达到目标水平的残留SO4。使用市售铝酸钠,该比率需要是大约0.66来达到目标的残留SO4水平。
表7.在石膏沉淀后(pH10.5)和钙钒石沉淀后的初始废水分析(pH7.5)
所进行的测试工作显示市售Al(OH)3与含硫酸盐的废水不够反应性,并且60min反应时间不足以获得来自Al(OH)3的任何效果。
当比较Outotec的原位铝酸钠和市售铝酸钠时,可以得出Outotec的原位铝酸钠在钙钒石沉淀中的反应性更大。最可能的,市售铝酸钠产品中所用的稳定剂干扰了钙钒石盐的沉淀。使用Outotec的铝酸钠,用于目标的250mg/l残留硫酸盐水平的Al/初始SO4-摩尔比是0.6。使用市售铝酸钠,达到相同的残留硫酸盐水平的摩尔比是大约0.66。
还要注意地是使用市售铝酸钠,在钙钒石沉淀之后在处理的水中会存在一些可溶性铝。使用Outotec的铝酸钠,该残留可溶性铝低于ICP检测限度(<0.1mg/L)。在残留钠含量中同样如此;使用Outotec的铝酸钠,残留钠小于使用市售铝酸钠的情况。
对本领域技术人员来说很显然,随着技术进步,本发明的理念可以以不同方式来执行。本发明和它的实施方案不限于上述实施例,而是可以在权利要求的范围内变化。
Claims (30)
1.从废水中除去硫酸盐、钙和/或其他可溶性金属的方法,包括:
a)铝酸钠制备步骤,其中NaOH和Al(OH)3在至少60℃的温度下接触,并且摩尔比NaOH:Al(OH)3是至少1.0,来制备铝酸钠,
b)钙钒石沉淀步骤,其中将废水与所获得的铝酸钠和第一钙化合物接触,以生产含有钙钒石的淤浆,
c)第一分离步骤,其中对含有钙钒石的淤浆进行固体-液体分离,以使固体与液体分离,由此生产第一溶液,
d)中和步骤,其中使第一溶液与碳酸化剂接触以中和第一溶液和作为碳酸钙沉淀第一溶液中所含的钙,和
e)第二分离步骤,其中进行固体-液体分离以使沉淀的碳酸钙与第一溶液分离,以获得具有降低的硫酸盐、钙和/或其他可溶性金属含量的水。
2.根据权利要求1的方法,其中铝酸钠制备步骤中的温度保持在至少90℃,典型地至少95℃。
3.根据权利要求1或2的方法,其中摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.2,典型地至少1.25的值。
4.根据前述任一项权利要求的方法,其中铝酸钠制备步骤中的温度保持在至少90℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.2的值,典型地所述温度保持在至少95℃和摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.25的值。
5.根据前述任一项权利要求的方法,其中铝酸钠制备步骤中的温度保持在60-180℃,更典型地85-125℃,仍然更典型地90-105℃,甚至更典型地95-105℃。
6.根据前述任一项权利要求的方法,其中在铝酸钠制备步骤中,摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.0-2.0,典型地1.2-1.5,更典型地1.2-1.4,仍然更典型地1.25-1.4。
7.根据前述任一项权利要求的方法,其中铝酸钠制备步骤中的温度保持在60-180℃且摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.0-2.0,典型地所述温度是85-125℃且摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.2-1.5,更典型地所述温度是90-105℃且摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.2-1.4,仍然更典型地所述温度是95-105℃且摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.25-1.4。
8.根据前述任一项权利要求的方法,其中所述废水是加工水、流出物或者含硫酸盐的水,例如采矿水、来自于冷凝器的再循环水或者来自于冷凝器的排出水。
9.根据前述任一项权利要求的方法,其中所述方法包括在钙钒石沉淀步骤b)之前的石膏沉淀步骤a’),在石膏沉淀步骤a’)中,待处理的水与第二钙化合物接触以沉淀石膏。
10.根据权利要求9的方法,其中所述石膏沉淀步骤a’)之后是石膏除去步骤a”),其中进行固体-液体分离以从所形成的石膏淤浆中除去沉淀的石膏。
11.根据前述任一项权利要求的方法,其中所述第一钙化合物和所述第二钙化合物独立地选自氢氧化钙、氧化钙、碳酸钙及其混合物。
12.根据前述任一项权利要求的方法,其中钙钒石沉淀步骤中的保持时间是10-60分钟,典型地15-30分钟。
13.根据前述任一项权利要求的方法,其中在钙钒石沉淀步骤中,摩尔比Al3+/SO4 2-是大约2:3-1:1。
14.根据前述任一项权利要求的方法,其中所述固体-液体分离通过沉降、过滤、澄清、滗析、使用水力旋流器和/或使用溶解的空气浮选来进行。
15.根据前述任一项权利要求的方法,其中在第一分离步骤中分离的固体包含钙钒石和任选的石膏、碳酸钙、金属氢氧化物和存在于所述方法供料中的其他惰性组分。
16.根据前述任一项权利要求的方法,其中将在第一分离步骤中所分离的部分或全部固体再循环回到石膏沉淀步骤和/或钙钒石沉淀步骤。
17.根据前述任一项权利要求的方法,其中在中和步骤中,该碳酸化剂选自CO2、碳酸氢钠和碳酸钠。
18.根据前述任一项权利要求的方法,其中在中和步骤中,所述第一溶液与碱接触来增加钙的沉淀。
19.根据权利要求18的方法,其中所述碱是氢氧化钠。
20.一种用于从废水中除去硫酸盐、钙和/或其他可溶性金属的设备,所述设备包括:
a)铝酸钠制备单元,其用于通过使NaOH和Al(OH)3在至少60℃的温度下接触并且摩尔比NaOH:Al(OH)3是至少1.0,以制备铝酸钠,
b)钙钒石沉淀单元,其用于通过使废水与所获得的铝酸钠和第一钙化合物接触,以生产含有钙钒石的淤浆,
c)第一分离单元,其用于通过使固体与液体分离对含有钙钒石的淤浆进行固体-液体分离,以生产第一溶液,
d)中和单元,其用于通过使第一溶液与碳酸化剂接触来中和第一溶液并由此作为碳酸钙沉淀第一溶液中所含的钙,和
e)第二分离单元,其用于通过使沉淀的碳酸钙与第一溶液分离来进行固体-液体分离,且由此获得具有降低的硫酸盐、钙和/或其他可溶性金属含量的水。
21.根据权利要求20的设备,其中所述设备包括石膏沉淀单元a’),其用于通过使废水与第二钙化合物接触以沉淀石膏。
22.根据权利要求20或21的设备,其中石膏沉淀单元a’)之后是石膏除去单元a”),其用于进行固体-液体分离,以从淤浆中除去沉淀的石膏。
23.根据权利要求20-22任一项的设备,其中所述设备包括储槽,用于存储所获得的铝酸钠。
24.根据权利要求20-23任一项的设备,其中铝酸钠制备单元中的温度保持在至少90℃,典型地至少95℃。
25.根据权利要求20-24任一项的设备,其中摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.2,典型地至少1.25的值。
26.根据权利要求20-25任一项的设备,其中铝酸钠制备单元中的温度保持在至少90℃且摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.2的值,典型地所述温度保持在至少95℃且摩尔比NaOH:Al(OH)3保持在至少1.25的值。
27.根据权利要求20-26任一项的设备,其中铝酸钠制备单元中的温度保持在60-180℃,更典型地85-125℃,仍然更典型地90-105℃,甚至更典型地95-105℃。
28.根据权利要求20-27任一项的设备,其中在铝酸钠制备单元中,摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.0-2.0,典型地1.2-1.5,更典型地1.2-1.4,甚至更典型地1.25-1.4。
29.根据权利要求20-28任一项的设备,其中在铝酸钠制备单元中,温度保持在60-180℃且摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.0-2.0,典型地温度是85-125℃且摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.2-1.5,更典型地温度是90-105℃且摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.2-1.4,仍然更典型地温度是95-105℃且摩尔比NaOH:Al(OH)3是1.25-1.4。
30.一种设备,其包括用于进行根据权利要求1-19任一项的方法的步骤的装置。
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