CN107051413B - 一种由赤泥与煤/炭制备铁-活性炭复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于危险固体废弃物处理和应用领域，具体地，涉及一种由赤泥与煤/炭粉制备铁‑活性炭复合材料的方法。本发明包括以下步骤：将赤泥或经处理的赤泥样品、煤/炭粉与粘结剂进行混合，加入水调节物料中的水含量，通过传统成型工艺制备成具有规整形状的材料，该材料经过干燥、惰性气氛中炭化及弱氧化气氛中活化后得到铁碳复合吸附剂产品。该吸附剂可用于重金属废水、氨氮废水、酚类废水及染料废水等的吸附净化及烟气脱硫脱硝脱汞处理过程，还可以实现赤泥的高值化利用，具有极强的工业应用潜力。

Description

一种由赤泥与煤/炭制备铁-活性炭复合材料的方法
技术领域
本发明属于危险固体废弃物处理和应用领域，具体地，涉及一种由赤泥与煤/炭制备铁-活性炭复合材料的方法。
背景技术
赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染强碱性废渣，一般平均每生产1吨氧化铝，附带产生1.0～2.0吨赤泥。大量的赤泥不能充分有效的利用，只能依靠大面积的堆场堆放，占用了大量土地，也对环境造成了严重的污染。部分国家已经将赤泥列为危险废弃物，赤泥的产生已经对人类的生产、生活造成多方面的直接或间接的影响，所以最大限度的减少赤泥的堆放，开发赤泥的回收利用途径与方法，拓宽赤泥的资源化利用已迫在眉睫。
由于赤泥中含有大量的氧化铁，而成红色，外观与赤色泥土相似，因而得名。赤泥中不仅含有氧化铁，还有氧化硅、氧化铝、氧化钠等成分。如何实现赤泥中这些成分的高值化利用是本领域的研究重点，例如专利申请CN102234171A和CN101468866A中公开将赤泥进行脱碱后作为生产水泥的原料；专利申请CN101891406A和CN1837121A公开了利用赤泥或经脱碱选铁后的赤泥和脱硫石膏制备水泥的方法；专利申请CN103373815A公开了以拜耳法赤泥为主要原料生产多孔微晶玻璃；专利申请CN103420359A公开了赤泥催化制备碳纳米管的方法，在该方法中赤泥经过在101-109℃下烘1-4h后粉碎200目筛分可作为催化剂生产碳纳米管；专利申请CN102757060A公开了通过石灰消钠的方式分离铝和部分铁氧化物，实现铝化合物的深度提取。然而，上述这些发明中，赤泥中碱性化合物的脱碱或其他处理过程，并未使其中的氧化铁得到很好的利用。赤泥与煤混合处理的专利相对较少，专利申请CN201210136449提出了煤矸石与赤泥叠层堆放方法，达到降低环境污染的目的。专利申请CN103420406A提出了一种利用赤泥活化处理煤矸石和粉煤灰的方法，达到浸取氧化铝的目的。关于铁碳复合材料，专利申请CN10769049A提出在生物质半焦上离子交换铁离子，制备水合氧化铁纳米复合半焦，处理水体中的无机阴离子污染物。由于赤泥与煤都是大宗产品，上述的利用方式很难达到有效的赤泥处理方式。结合赤泥的污染与综合利用现状，不难发现现阶段还没有可行的技术实现赤泥中铁的高值化利用方法与途径，以及高值化且量大的赤泥应用途径。而直接利用赤泥中有效成分，铁、钛、硅、铝氧化物与煤中碳组分制备高强度的铁-活性炭复合吸附材料还未有相应的专利与文献报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种由赤泥与煤/炭混合制备铁-活性炭复合物的方法。该方法由赤泥与煤/炭混合制备所述铁-活性炭复合物，该复合物具有磁性，经过粉碎后，可以直接作为废水净化的吸附剂，且借助磁分离，可以实现该物质的多次利用与再生。该方法实现了赤泥高值化利用，具有极强的工业应用潜力。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的由赤泥与煤/炭制备铁-活性炭复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将赤泥或赤泥处理物、煤/炭粉、粘结剂及水混合，得到泥料。
(2)将步骤(1)制得的泥料采用挤出机挤出成型，制备出颗粒物或规整材料；
(3)将步骤(2)制得的颗粒物烘干后，在600-1000℃(优选700-900℃)进行炭化固化反应，然后在800-1200℃下氧化活化，再在800-1000℃下还原活化，之后降温至室温，得到铁-活性炭复合材料。
根据本发明所述的方法，其中，步骤(1)所述赤泥包括拜耳法、烧结法、亚熔盐法或联合法产生的赤泥中的一种或两种；所述赤泥处理物为赤泥经过酸碱处理并分离后的样品。
根据本发明所述的方法，其中，步骤(1)所述煤/炭粉包括褐煤、烟煤、无烟煤、生物质炭化料、活性炭或含炭的沥青粉中的一种或几种。所述煤/炭粉优选目数为50-300目，进一步优选75-200目。
根据本发明所述的方法，其中，步骤(1)所述粘结剂包括黏土、硅溶胶、铝溶胶、纤维素钠和羟基纤维素中的一种或几种混合物。
在本发明所述的步骤(1)中所述的混合可以采用球磨混合、机器捏合混炼、高速搅拌混合等方式，在混合过程中需要调节水分含量，使混合物成泥，水分含量控制在15％-35％之间，优选的水分含量在20％-25％之间。赤泥：煤/炭粉的质量比例为1：(2-6)，优化比例为1：(2-4)，粘结剂占不含水的干料(赤泥、煤/炭粉与粘结剂的总和)总重量的3％-5％。
根据本发明所述的方法，其中，步骤(2)所述成型采用滚球方式制备成球形颗粒物，或者采用混捏挤出方式制备成蜂窝状、柱状、环状或梅花状等规整材料。
根据本发明所述的方法，其中，步骤(3)所述对颗粒物的烘干可以采用热风干燥、保湿干燥、微波干燥或红外干燥。可选择地，例如，烘干为依次在80℃维持1-2h，100℃维持1-2h，然后于105-150℃下烘干。
根据本发明所述的方法，其中优选地，步骤(3)所述炭化固化在惰性气氛中进行，炭化固化时间为0.5-3h，升温速率为1-10℃/min。所述惰性气氛可以氩气、氦气或氪气等惰性气体，也可以氮气等不活跃气体。
根据本发明所述的方法，其中，步骤(3)所述所述氧化活化过程在弱氧化气氛中进行，氧化活化时间0.5-2h，所述还原活化过程在还原性气氛中进行，还原活化时间为0.5-2h；氧化活化与还原活化的升温速率均为1-10℃/min。在活化过程中，与不稳定的煤/炭反应后实现扩孔处理，形成高比表面积的产品。根据本发明所述的方法，其中优选地，所述弱氧化气氛为低浓度氧气(体积浓度不超过3％)、CO2或水蒸气；所述还原性气氛为H2或CO。
本发明利用上述制备方法，由赤泥与粉煤/炭的混合热处理过程，利用了赤泥中所含有的大量铁氧化物作为还原或催化活性组分，及硅铝化合物作为主要粘结剂，低品质粉煤/炭提供碳源与还原气氛，使之成为具有重金属还原吸附脱除的各种要素，该指标工艺可以实现赤泥和低品质粉煤的高值化利用，具有广泛的工业应用前景。
本发明提供的上述方法制备得到的炭铁钛硅铝氧化物复合物，该复合物可表示为Fe-AC复合物。本发明提供了所述的Fe-AC复合物，可用于废气、废水的处理，特别是结合磁性分离用于废水的处理，实现多次循环利用。
具体的，本发明提供了所述炭铁钛硅铝氧化物复合物在制备用于废水处理的吸附剂中的应用。该复合物可以直接作为用于废水处理的吸附剂，对氨氮废水、染料废水、酚类废水及重金属废水具有良好的净化效果。
本发明将作为工业废料的赤泥及其处理物与煤/炭相结合，通过特定的制备方法制备出高附加值的铁-活性炭复合物，实现了废料利用，对环境保护具有重要意义。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
本发明通过简单方式将赤泥中的部分元素与低品质煤/炭进行复合，制备高附加值的分散型高比表面积铁碳复合材料，不仅可以对危险废弃物赤泥进行回收利用，而且制备的复合产品还可以用于废水、废气等环境治理，实现赤泥与低值粉煤的高值化利用。
附图说明
图1为本发明由赤泥与煤炭混合制备铁-活性炭复合材料的工艺流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种赤泥基铁碳复合物的制备过程包括如下步骤：
(1)将1kg的赤泥、2kg的褐煤粉、0.093kg纤维素钠加入球磨罐中球磨10h，形成颗粒尺寸小于200微米的均匀混合物；
(2)向混合物中分批次加入546g的水，在高速搅拌机中继续混合成均匀体系；
(3)通过压片破碎过筛的方式选取颗粒直径在1-5mm左右的样品，加入到旋转滚球机中，采用间接喷水的方式使颗粒表面润湿，撒入均匀混合物，继而喷入水，使之成球，颗粒直径逐渐增加；
(4)将样品进行烘干后，在800℃进行惰性气氛(N2)炭化1h，切换成CO2气体(CO2/N2＝2/8)继续活化1h后，在气体保护下降温得到相应的铁碳复合物样品1；
(5)将样品保持800℃条件下，切换成10％的氢气再生1h，得到相应的零价铁-碳复合产品。
该实施例通过如图1所示工艺流程处理之前的原料赤泥以及产物1的组成及其百分含量如表1所示。
表1赤泥与样品1的组成
将本实施例制备得到的铁-碳复合物进行表征，其表面积在125m2/g，典型介孔结构产品。
实施例2
一种赤泥基铁碳复合物的制备过程包括如下步骤：
(1)将1kg的赤泥、6kg的活性炭粉、0.37kg黏土加入球磨罐中球磨10h，形成颗粒尺寸小于200微米的均匀混合物；
(2)向混合物中分批次加入3.43kg的水，在高速搅拌机中继续混合成均匀体系；
(3)通过压片破碎过筛的方式选取颗粒直径在1-5mm左右的样品，加入到挤压机中，挤压成柱状；
(4)将样品进行烘干后，在600℃进行惰性气氛(Ar)炭化3h，切换成水蒸气(H2O/Ar＝2/8)，升温至800℃继续活化2h后，在气体保护下降温得到相应的铁碳复合物样品；
(5)将样品保持800℃条件下，切换成10％的氢气再生2h，得到相应的零价铁-碳复合产品。
将本实施例制备得到的铁-碳复合物进行表征，其表面积在210m2/g，典型介孔结构产品。
实施例3
一种赤泥基铁碳复合物的制备过程包括如下步骤：
(1)将1kg的赤泥经过酸碱处理并分离后的样品、4kg的无烟煤粉、0.17kg硅溶胶加入球磨罐中球磨10h，形成颗粒尺寸小于200微米的均匀混合物；
(2)向混合物中分批次加入1.29kg的水，在高速搅拌机中继续混合成均匀体系；
(3)通过压片破碎过筛的方式选取颗粒直径在1-5mm左右的样品，加入到旋转滚球机中，采用间接喷水的方式使颗粒表面润湿，撒入均匀混合物，继而喷入水，使之成球，颗粒直径逐渐增加；
(4)将样品进行烘干后，在1000℃进行惰性气氛(Kr)炭化0.5h，切换成CO2气体(CO2/N2＝2/8)，1200℃继续活化0.5h后，在气体保护下降温得到相应的铁碳复合物样品；
(5)将样品降温到1000℃条件下，切换成CO再生0.5h，得到相应的零价铁-碳复合产品。
将本实施例制备得到的铁-碳复合物进行表征，其表面积在289m2/g，典型介孔结构产品。
当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种由赤泥与煤/炭制备铁-活性炭复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将赤泥或赤泥处理物、煤/炭粉、粘结剂及水混合，得到泥料；
(2)将步骤(1)制得的泥料采用挤出机挤出成型，制备出颗粒物或规整材料；
(3)将步骤(2)制得的颗粒物或规整材料烘干后，在600-1000℃进行炭化固化反应，然后在800-1200℃下氧化活化，再在800-1000℃下还原活化，之后降温得到铁-活性炭复合材料；其中，所述氧化活化过程在弱氧化气氛中进行，氧化活化时间0.5-2h，所述还原活化过程在还原性气氛中进行，还原活化时间为0.5-2h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述赤泥包括拜耳法、烧结法、亚熔盐法或联合法产生的赤泥；所述赤泥处理物为赤泥经过酸碱处理并分离后的样品。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述煤/炭粉包括褐煤、烟煤、无烟煤、生物质炭化料、活性炭和含炭的沥青粉中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述赤泥与煤/炭粉的质量比例为1：(2-6)，所述粘结剂占不含水的干料总重量的3％-5％，所述水分占泥料总重量的15％-35％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述粘结剂包括黏土、硅溶胶、铝溶胶、纤维素钠和羟基纤维素中的一种或几种混合物。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述成型采用滚球方式制备成球形颗粒物，或者采用混捏挤出方式制备成蜂窝状、柱状、环状或梅花状规整材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述炭化固化在惰性气氛中进行，炭化固化时间为0.5-3h，升温速率为1-10℃/min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述氧化活化与还原活化的升温速率均为1-10℃/min。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述弱氧化气氛为低浓度氧气、CO2或水蒸气；所述还原性气氛为H2或CO。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)在700-900℃进行炭化固化反应。
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