CN107739831A - 一种废弃生物质水热还原解毒铬渣并回收化合物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于湿法冶金和资源回收技术领域，提供了一种废弃生物质水热还原解毒铬渣并回收化合物的方法。首先应用具有相似离子半径的置换溶液在碱性条件下置换出六价铬溶液，利用生物质如棉秆等作为多糖载体代替传统的甲醇和淀粉等作为碳源还原解毒六价铬，辅助水热过程加速还原反应的同时，得到可以回用的铬化合物。此方法通过生物质残渣对碱性浸出过低铬渣水热还原固定，不仅从根本上解决了铬渣污染问题，而且解决了酸性腐蚀问题，同时应用生物质代替传统还原剂，并回收铬降低了解毒成本问题同时实现铬资源回收。

Description

一种废弃生物质水热还原解毒铬渣并回收化合物的方法
技术领域
本发明属于湿法冶金和资源回收技术领域，具体涉及一种废弃生物质水热还原解毒铬渣并回收化合物的方法。
背景技术
铬属于重要的战略金属元素，其金属、合金材料及各种化合物在国防军工、机械制造、冶金、化工、材料及新能源等工业领域起到越来越重要的作用。我国铬矿资源极度贫乏，主要分布在新疆、西藏、内蒙古和甘肃四个省区，而且铬矿的产量及品位还呈现下降趋势，远远满足不了现代的消费需求。我国铬盐生产普遍采用有钙焙烧工艺技术，每生产1t产品，会产生2.5～3t铬渣。据调查分析，截至2013年，我国铬渣堆存总量约850万t，并且还在以每年超过40万t的数量持续增加。近几年随着科技的进步，我国铬盐行业进行技术改革，采用新工艺大量增加了铬的收率，但仍存在收率低、副产物堆积等诸多不足。铬渣中因含有致癌物铬酸钙和高毒性水溶Cr(VI)而成为有毒废物。目前，绝大多数铬渣的贮存或填埋方式不符合危险废物安全处置的要求，多直接排放到环境中，严重污染了地表水、地下水和土壤，对周围生态环境和人民健康造成巨大危害。铬渣的处理成为影响铬矿行业的重用问题，铬渣解毒也是全球环保的重大课题。
目前，已有研究提出的铬渣的解毒方法主要有常温湿法、高温干法、微波法和微生物法等，常温湿法解毒通常用硫酸作浸出剂，用硫酸亚铁或多硫钙作还原剂将Cr(VI)还原成Cr(III)，但是反应中生成的针状巩石会阻碍解读，降低解毒效率。高温干法解毒就是将铬渔与煤炭按照一定的比例混合焙烧，通过控制温度和其它条件，使碳生成一氧化碳。在高温下，利用一氧化碳的还原性将铬渣中的Cr(VI)还原成Cr(III)，此方法具有反应彻底的优点，但是成本也相对较高。利用微波对铬渣进行解毒是近年来迅速发展的一个新领域，重庆大学的陶长元课题组的研究了不同还原剂、还原剂同铬渣配比、还原温度和升温时间等因素对铬澄解毒的影响，证明在微波高温下生成的一氧化碳可以将铬渣中的Cr(VI)还原成Cr(III)，但微波法和微生物法目前还处在实验室研究阶段。因此有必要研究新试剂、新方法来因地制宜地、比较经济地、大规模地处理铬渣。
生物质热解技术处理含铬匡哲工艺是一种新型含铬矿渣处理工艺，该工艺将含铬副产物与生物质混合，然后在高温下热解，此方法能有效地将Cr(VI)还原，采用保护气氛防止有挥发性的污染气体释放。中南大学冶金科学与工程学院的李小斌课题组，进行了淀粉水热还原Cr(VI)过程动力学和水热法制备氧化铬研究，研究表明，淀粉水热还原Cr(VI)的动力学模型可以用等温、恒容、不可逆反应动力学模型来描述，且属化学反应控制，在优化的实验条件下，Cr(VI)还原率达到98％以上，并且可以得到具有纳米级尺度的均匀的球形的超细氧化铬产品。中南大学的吕小斌课题组通过探究淀粉水热还原Cr(VI)的热力学机理证明了利用生物质水热还原六价铬是热力学允许和可行的。淀粉是最重要的一类植物多糖，是除纤维素、甲壳素之外的第三大天然有机物，具有一种局部结晶的网状结构，荷兰的Mitewa M课题组研究表明，在密闭容器中，淀粉水热还原六价铬主要方程式如下：
CrO4 2-+H2O→HCrO4 -+OH-
Cr(VI)+St→Ct(IV)+P6(rate limiting step)
Cr(IV)+P6→Cr(III)+R
Cr(VI)+R→Cr(V)+P7+CO2
Cr(V)+P7→Cr(I1I)+P8+CO2
CO2+OH-→CO3 2-+H2O
Cr(III)+3OH-→Cr(OH)3
以上研究为我们提供了新的思路，利用具有丰富来源的生物质秸秆等废物代替能源物质淀粉作为水热反应的碳源，利用同样具有多糖结构的纤维素成分水热还原铬渣中的六价铬，在解毒的同时制备出具有铬化合物高质产品，此种利用废弃生物质为碳源水热还原铬渣解毒，同时制备出具有铬化合物高质产品具有低成本、高附加值的特点，且此种方法还未有报道。
发明内容
本发明的目的是针对传统铬渣和低质含铬矿物的解毒和铬资源的回收利用存在的不足，提供了一种应用废弃生物质作为碳源水热还原铬渣解毒，制备铬化合物的新方法，利用生物质作为多糖载体代替传统的甲醇和淀粉等作为碳源还原解毒六价铬，通过碱性条件水热还原，不仅从根本上解决了铬渣污染问题，而且解决了酸性腐蚀问题，同时应用生物质代替传统还原剂降低了高质氧化铬材料的制备成本问题，可以应用于铬渣和铬低质矿物的解毒和资源化领域。
本发明的技术方案：
一种废弃生物质水热还原解毒铬渣回收铬化合物的方法，步骤如下：
1)配置浓度为0.5-10g/L的置换溶液；
2)按照固/液比为0.1-1，将含铬矿物加入到步骤1)配置的置换溶液中，形成悬浊液体a；
3)过滤步骤2)得到的悬浊液体a，得到富集的六价铬溶液A和固体不溶物；
4)将步骤3)得到的固体不溶物，在400-1200℃煅烧2-8h得到水滑石材料，然后进行后续处理利用；
5)配置浓度为0.1-10M的酸浸或碱浸溶液；
6)按照固/液比为0.1-1，将破碎后的生物质加入到步骤5)得到的酸浸或碱浸溶液中，搅拌5-48h，得到悬浊液体b；
7)过滤步骤6)得到的悬浊液体b，得到生物质浸出液B和残渣；
8)将步骤3)得到的六价铬溶液A和步骤7)得到的生物质浸出液B，按照体积比为1-0.1的比例混合，搅拌10-30min，得到均匀的混合溶液C；
9)将步骤8)得到混合溶液C置于170-300℃温度条件下反应2-5h，得到铬化合物粉末悬浊液D；
10)过滤步骤9)得到的铬化合物粉末悬浊液D，干燥，得到高质铬化合物产品。
所述的残渣主要成分是铁、镁和铝，酸溶解后，加入还原剂还原残留的六价铬，再加入碱性物质，制备出复合层状氢氧化物。
所述的含铬矿物为高质含铬矿物、含铬矿渣、含铬土壤类固体中的一种或两种以上混合。
所述的后续处理利用为填埋处理、水泥原料或者阻燃、催化功能化利用。
所述的置换溶液为硫酸盐、碳酸盐的一种或两种混合。
所述的硫酸盐为硫酸钠、硫酸钾、硫酸铝中的一种或两种以上混合。
所述的碱浸溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠溶液中的一种或两种以上混合；所述的酸浸溶液为硫酸、醋酸、盐酸溶液中的一种或两种以上混合。
所述的生物质为农作物棉秆、水果、废弃的果皮、秸秆、天然的树胶和腐殖质中的一种或两种以上混合。
本发明的有益效果：克服传统铬渣和低质含铬矿物的解毒和铬资源的回收利用存在的不足，不仅从根本上解决了铬渣污染问题，而且解决了酸性腐蚀问题，同时应用生物质代替传统还原剂降低了高质氧化铬材料的制备成本问题，可以应用于铬渣和铬低质矿物的解毒和资源化领域。
附图说明
图1是铬还原解毒制备铬化合物基本流程图。
图2是高温水热后得到的铬化合物SEM表征图。
图3是高温水热后得到的含铬化合物TEM表征图。
图4是含铬化合物经焙烧后得到的铬化合物SEM表征图。
图5是含铬化合物经焙烧后得到的铬化合物TEM表征图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，进一步说明本发明的具体实施方式。
实例1：以铬渣1为原料
原料主要成分如下：
表1铬渣1主要成分
成分 Cr2O3 Cr6+ SiO2 Fe Al2O3 CaO V
含量 19.7％ 0.5％ 4.5％ 31.5％ 14.6％ 6.4％ 0.2％
具体步骤如下：
1)配置浓度为5g/L的硫酸钠溶液1L。
2)称取含铬渣，按照固/液比为1：1的加入量，将铬渣1加入到步骤1)配置的硫酸钠溶液中，利用具有相似离子半径的硫酸根置换出吸附在铬渣中的六价铬。
3)过滤步骤2)得到的悬浊液体，得到富集的六价铬溶液A-1和固体不溶物。
4)将步骤3)得到的固体不溶物高温煅烧后进行后续处理利用。
5)称取一定量的氢氧化钠固体，配置浓度为5M的氢氧化钠溶液。
6)称取破碎后的生物质，按照固/液比为1:1的加入量，将棉杆粉末加入到步骤5)得到的氢氧化钠溶液中，搅拌5h。
7)过滤步骤6)得到的悬浊液体，得到棉杆浸出液B。
8)将步骤3)得到的六价铬溶液A-1和步骤6)得到的棉杆浸出液B，按照体积比为2:1的比例混合，搅拌10min,得到均匀的混合溶液C。
9)将步骤8)得到混合溶液C移入不锈钢反应釜中，在180℃维持2h，得到铬化合物粉末悬浊液。
10)过滤步骤9)得到的悬浊液，得到具有铬化合物产品。
实例2：铬渣-2为原料
原料成分如下：
表2铬渣2主要成分
成分 Al2O3 Cr2O3 Na2O SO3 Fe2O3 V2O5 SiO2
含量 35％ 32.8％ 18.2％ 7.67％ 2.30％ 1.38％ 1.35％
具体步骤如下：
1)配置浓度为5g/L的硫酸钠溶液1L。
2)称取含铬渣，按照固/液比为1：1的加入量，将铬渣2加入到步骤1)配置的硫酸钠溶液中，利用具有相似离子半径的硫酸根置换出吸附在铬渣中的六价铬。
3)过滤步骤2)得到的悬浊液体，得到富集的六价铬溶液A-2和固体不溶物。
4)将步骤3)得到的固体不溶物高温煅烧后进行后续处理利用。
5)量取一定量的浓硫酸，配置浓度为5M的硫酸溶液
6)称取破碎后的生物质，按照固/液比为1:1的加入量，将棉杆粉末加入到步骤5)得到的硫酸溶液中，搅拌5h。
7)过滤步骤6)得到的悬浊液体，得到棉杆浸出液B。
8)将步骤3)得到的六价铬溶液A-2和步骤7)得到的棉杆浸出液B，按照体积比为2:1的比例混合，搅拌10min,得到均匀的混合溶液C。
9)将步骤8)得到混合溶液C移入不锈钢反应釜中，在180℃维持2h，得到铬化合物粉末悬浊液。
10)过滤步骤9)得到的悬浊液，得到具有铬化合物产品。
实例3：以铬渣3为原料
原料主要成分如下：
表3铬渣3主要成分
成分 Cr2O3 SiO2 Fe Al2O3 MgO CaO
含量 41.7％ 3.2％ 20.2％ 15.3％ 8.2％ 0.8％
具体步骤如下：
1)配置浓度为5g/L的硫酸钠溶液1L。
2)称取含铬渣，按照固/液比为1：1的加入量，将铬渣3加入到步骤1)配置的硫酸钠溶液中，利用具有相似离子半径的硫酸根置换出吸附在铬渣中的六价铬。
3)过滤步骤2)得到的悬浊液体，得到富集的六价铬溶液A-3和固体不溶物。
4)将步骤3)得到的固体不溶物高温煅烧后进行后续处理利用。
5)称取一定量的氢氧化钠固体，配置浓度为5M的氢氧化钠溶液。
6)称取破碎后的生物质，按照固/液比为1:1的加入量，将棉杆粉末加入到步骤5)得到的氢氧化钠溶液中，搅拌5h。
7)过滤步骤6)得到的悬浊液体，得到棉杆浸出液B。
8)将步骤3)得到的六价铬溶液A-3和步骤7)得到的棉杆浸出液B，按照体积比为2:1的比例混合，搅拌10min,得到均匀的混合溶液C。
9)将步骤8)得到混合溶液C移入不锈钢反应釜中，在180℃维持2h，得到铬化合物粉末悬浊液。

Claims (10)

1.一种废弃生物质水热还原解毒铬渣回收铬化合物的方法，其特征在于，步骤如下：
1)配置浓度为0.5-10g/L的置换溶液；
2)按照固/液比为0.1-1，将含铬矿物加入到步骤1)配置的置换溶液中，形成悬浊液体a；
3)过滤步骤2)得到的悬浊液体a，得到富集的六价铬溶液A和固体不溶物；
4)将步骤3)得到的固体不溶物，在400-1200℃煅烧2-8h得到水滑石材料，然后进行后续处理利用；
5)配置浓度为0.1-10M的酸浸或碱浸溶液；
6)按照固/液比为0.1-1，将破碎后的生物质加入到步骤5)得到的酸浸或碱浸溶液中，搅拌5-48h，得到悬浊液体b；
7)过滤步骤6)得到的悬浊液体b，得到生物质浸出液B和残渣；
8)将步骤3)得到的六价铬溶液A和步骤7)得到的生物质浸出液B，按照体积比为1-0.1的比例混合，搅拌10-30min，得到均匀的混合溶液C；
9)将步骤8)得到混合溶液C置于170-300℃温度条件下反应2-5h，得到铬化合物粉末悬浊液D；
10)过滤步骤9)得到的铬化合物粉末悬浊液D，干燥，得到高质铬化合物产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的生物质为农作物棉秆、水果、废弃的果皮、秸秆、天然的树胶和腐殖质中的一种或两种以上混合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的含铬矿物为含铬矿物、含铬矿渣、含铬土壤类固体中的一种或两种以上混合。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的置换溶液为硫酸盐和/或碳酸盐。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的硫酸盐为硫酸钠、硫酸钾、硫酸铝中的一种或两种以上混合。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的方法，其特征在于，所述的碱浸溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠溶液中的一种或两种以上混合；所述的酸浸溶液为硫酸、醋酸、盐酸溶液中的一种或两种以上混合。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的残渣主要成分是铁、镁和铝，酸溶解后，加入还原剂还原残留的六价铬，再加入碱性物质，制备出复合层状氢氧化物。
8.根据权利要求1、2、4、5或7所述的方法，其特征在于，所述的后续处理利用为填埋处理、水泥原料或者阻燃、催化功能化利用。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的后续处理利用为填埋处理、水泥原料或者阻燃、催化功能化利用。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的后续处理利用为填埋处理、水泥原料或者阻燃、催化功能化利用。
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