发明内容
本发明的第一目的在于提供一种氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法,工艺流程简单,处理成本低,绿色环保,实现了工业级氧化石墨废液低成本资源化,能够克服上述问题或者至少部分地解决上述技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种所述的氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法处理得到的废渣在水泥领域中的应用。
本发明的第三目的在于提供一种水泥缓凝剂,该水泥缓凝剂为利用上述的氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法处理得到的废渣,能够调节水泥砂浆的凝结速率,具有良好的缓凝作用,既实现了固体废弃物的回收利用,又可以降低废液处理和水泥生产的费用。
本发明的第四目的在于提供一种水泥,该水泥包括上述的水泥缓凝剂以及水泥熟料,具有原料成本大幅降低、经济环保、缓凝效果优异、增强了水泥强度的特点。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
根据本发明的一个方面,本发明提供一种氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法,包括以下步骤:
向待处理的酸性废液中加入熟石灰,搅拌,冷却,测试混合液的酸碱度,得到浆料;
将所述浆料进行固液分离和干燥,得到废渣。
作为进一步优选技术方案,酸性废液与熟石灰的重量比为12~25:1;
优选地,酸性废液与熟石灰的重量比为15~18:1。
作为进一步优选技术方案,熟石灰的加入方式为分批次计量加入或连续计量加入;
优选地,加入熟石灰的过程中测试混合液的酸碱度,当混合液的pH为5.5~7时,停止投料;
优选地,停止投料后,继续搅拌,继续搅拌的时间为2~4小时;
优选地,继续搅拌的时间为2.5~3.5小时。
作为进一步优选技术方案,冷却后测试混合液的酸碱度,当混合液的pH在6~8范围内,再进行固液分离。
作为进一步优选技术方案,固液分离的方式包括离心、沉降或过滤中的至少一种;
优选地,固液分离的方式为过滤;
优选地,固液分离所采用的设备包括板框压滤机、隔膜压滤机、厢式压滤机或离心机中的至少一种;
优选地,经固液分离得到的滤饼的固含量为40~60wt%,优选为45~55wt%。
作为进一步优选技术方案,干燥的温度为40~90℃;
优选地,干燥的温度为45~55℃。
根据本发明的另一个方面,本发明提供一种如上所述的氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法处理得到的废渣在水泥领域中的应用;
优选地,所述废渣作为水泥缓凝剂应用在水泥领域中;
优选地,所述废渣中SO3的质量含量为45~55%。
根据本发明的另一个方面,本发明还提供一种水泥缓凝剂,所述水泥缓凝剂为利用上述的氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法处理得到的废渣;
优选地,所述废渣中SO3的质量含量为45~55%。
根据本发明的另一个方面,本发明还提供一种水泥,包括上述的水泥缓凝剂以及水泥熟料。
作为进一步优选技术方案,所述水泥缓凝剂的添加量为水泥熟料重量的3~9%;
优选地,所述水泥缓凝剂的添加量为水泥熟料重量的4~6%。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
(1)、本发明提供的氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法,采用熟石灰对酸性废液进行中和,并经过固液分离和干燥等过程最终获得主要成分为石膏的固体废渣,该废渣可以作为水泥缓凝剂来使用。该方法简化了废液的处理流程,工艺简单,易于实施,大大降低处理成本,同时实现废弃物的回收再利用,是一种既经济又环保的处理方法。
(2)、利用本发明的方法处理得到的废渣可以应用在水泥领域中。本发明提供的水泥缓凝剂即为利用本发明的氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法处理得到的废渣,该固体废渣的主要成分为石膏,因而可以调节水泥浆料的凝结速率,应用于工业水水泥的生产。本发明既实现了固体废弃物回收利用,又可以降低废液处理和水泥生产的费用。
(3)、本发明的水泥缓凝剂和水泥,原料成本低、产品质量好,同时为氧化石墨/石墨烯的生产厂家的废液处理找到了一条出路,实现了工业级氧化石墨/石墨烯废液低成本资源化,不仅变废为宝,可获得良好的经济效果,其环保效果更为显著。
(4)、本发明缓解了氧化石墨/石墨烯生产流程中所产生的酸性废液难处理的问题,避免了工业废水的排放,降低了处理成本,绿色环保;同时该方法流程简短,能耗低,辅助设备及人员配置少,处理原料熟石灰来源广、经济易得。本发明方法可扩展性强,在处理废液的同时获得废渣产物,能实现废弃物的回收再利用,提高了工业产值,易于推广应用。
具体实施方式
下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述,但是本领域技术人员将会理解,下列实施方式和实施例仅用于说明本发明,而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
第一方面,在至少一个实施例中提供一种氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法,包括以下步骤:
向待处理的酸性废液中加入熟石灰,搅拌,冷却,测试混合液的酸碱度,得到浆料;
将所述浆料进行固液分离和干燥,得到废渣。
需要说明的是,“氧化石墨/石墨烯”中的“/”代表的是“和/或”,即,该废液的处理方法可以应用在氧化石墨生产过程中废液的处理,也可以应用在石墨烯生产过程中废液的处理,也可以应用在氧化石墨和石墨烯生产过程中废液的处理。
应当理解的是,本发明中的废液主要为强酸型酸性废液,该酸性废液中还可以含有重金属离子如Mn2+离子。本发明的处理方法可面向石墨烯材料领域工业化应用生产中所产生的酸性废液,适应范围广,可扩展性强,能够广泛适用于任意浓度和pH的酸性废液,且废液处理量大,处理成本低,有效缓解了氧化还原法制备石墨烯的生产流程中酸性废液难处理或成本高昂的问题,成为完善石墨烯材料产业链中的重要一环。
本发明下面主要以一种氧化石墨生产线所产生的酸性废液的处理为例进行进一步的详细说明,但并不限于此,应当理解的是,该处理方法同样适用于在石墨烯材料生产中所产生的类似的酸液废液的处理;本发明对于具体的氧化石墨或石墨烯的制备方式和操作条件不作特殊限制。
根据本发明,在生产氧化石墨的化工过程中,该过程通常以石墨粉或鳞片石墨为原料,以浓硫酸为插层剂,以高锰酸钾或高铁酸钾为氧化剂,对石墨进行氧化,后续通过多次水洗和分离,获得高纯度的氧化石墨产物,同时在该过程中会产生大量的强酸废液。本发明采用熟石灰来中和强酸废液,通过固液分离和干燥等过程最终获得主要成分为石膏的固体废渣,该废渣可以作为水泥缓凝剂来使用。该方法简化了废液的处理流程,工艺简单,流程简短,易于实施,能耗低,并且处理原料熟石灰来源广、经济易得,大大降低了处理成本,同时实现了废弃物的回收再利用,是一种既经济又环保的解决方案。
需要说明的是,术语“熟石灰”为本领域技术人员已知的,一般为白色粉末状固体,主要成分为氢氧化钙。本发明对于熟石灰的来源没有特殊的限制,采用本领域技术人员所熟知的各原料即可;如可以采用其市售商品,也可以采用本领域技术人员熟知的制备方法自行制备。
在一种优选的实施方式中,酸性废液与熟石灰的重量比为12~25:1;
优选地,酸性废液与熟石灰的重量比为15~18:1。
根据本发明,在一定量的待处理的酸性废液中投加一定量的熟石灰,投加的熟石灰的量以待处理的酸性废液的量为基准,其不易过多或过少,投加量过少达不到酸碱中和的效果,处理不完全;投加量过多会造成原料浪费,增加处理成本,还会影响后续固体废渣使用效果。因此,投加熟石灰时,控制酸液废液与熟石灰的重量比为12~25:1,优选为15~18:1,典型但非限制性的例如可以为12:1、13:1、14:1、15:1、16:1、17:1、18:1、19:1、20:1、21:1、22:1、23:1、24:1或25:1。
在一种优选的实施方式中,熟石灰的加入方式为分批次计量加入或连续计量加入,优选为分批次计量加入;
优选地,加入熟石灰的过程中测试混合液的酸碱度,当混合液的pH为5.5~7时,停止投料;
优选地,停止投料后,继续搅拌,继续搅拌的时间为2~4小时;
优选地,继续搅拌的时间为2.5~3.5小时。
根据本发明,向装有待处理的酸性废液容器中,投入熟石灰粉,并搅拌,熟石灰粉的投加方式可以是分批次计量加入,也可以是缓慢的连续计量加入,在加入过程中需要测试混合液的酸碱性变化,当加入的量在适宜的范围内或混合液的pH值为5.5~7时,则停止投料。停止投料后,还需要继续搅拌,使得废液中的酸和熟石灰反应完全。继续搅拌的时间一般在2~4小时,优选在2.5~3.5小时,更优选在3小时,典型但非限制性的例如可以为2小时、2.5小时、3小时、3.5小时或4小时。
在一种优选的实施方式中,冷却后测试混合液的酸碱度,当混合液的pH在6~8范围内,再进行固液分离。
由于熟石灰和酸的反应为放热反应,该反应结束后混合液仍具有一定的温度,因而需要进行冷却,一般冷却至常温即可。待冷却后测试其pH是否在6~8之间,根据需要调节熟石灰粉直至pH值符合要求为止。
根据本发明,该处理方法中,准确控制了中和反应体系的pH值,在加料中测试处理过程中的酸碱度变化,由于熟石灰粉无法完全溶解,酸性液体与熟石灰粉反应固液反应,体系在弱酸性条件(即pH值5~7)下反应基本完成但并未终止,需要在冷却后确认体系的酸碱度为6~8,这样可以实现酸性液体与固体颗粒的充分反应,避免熟石灰粉投料过量。
在一种优选的实施方式中,固液分离的方式包括离心、沉降或过滤中的至少一种;
优选地,固液分离的方式为过滤;
优选地,固液分离所采用的设备包括板框压滤机、隔膜压滤机、厢式压滤机或离心机中的至少一种;
优选地,经固液分离得到的滤饼的固含量为40~60wt%,优选为45~55wt%。
应当理解的是,本发明对于固液分离的方式不作特殊限制,可以采用本领域常用的固液分离方式,例如离心、过滤、沉降等。本发明中优选采用的固液分离方式为过滤,操作容易,分离效果好。对于固液分离所采用的具体设备也不作特殊限制,可以采用本领域常用的固液分离设备,例如离心机、板框压滤机、隔膜压滤机等。本发明中优选采用的是板框压滤机或隔膜压滤机,结构简单,容易操作,分离效果好。
根据本发明,经固液分离得到的滤饼的初始固含量一般在40~60wt%,典型但非限制性的例如可以为40wt%、42wt%、44wt%、45wt%、46wt%、48wt%、49wt%、50wt%、52wt%、54wt%、55wt%、56wt%、58wt%、59wt%或60wt%。适宜固含量的滤饼可以减少后续干燥的能耗,而且干燥后的固体更容易破碎成粉体。
在一种优选的实施方式中,干燥的温度为40~90℃;
优选地,干燥的温度为45~55℃。
应当理解的是,本发明对于干燥的具体的方式和采用的设备不作特殊限制,可以采用本领域常用的干燥方式和设备,例如采用烘箱进行干燥。干燥的温度一般为40~90℃,优选为45~55℃,更优选为50℃,典型但非限制性的例如可以为40℃、45℃、46℃、48℃、49℃、50℃、51℃、52℃、54℃、55℃、60℃、70℃、80℃或90℃。
应当理解的是,上述处理方法的说明中未详细描述的内容,均是本领域技术人员容易想到的常用参数,可以由本领域技术人员根据实际情况进行调控,例如反应温度、搅拌转速、干燥时间等,因此可以省略对其的详细说明。
第二方面,在至少一个实施例中提供一种如上所述的氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法处理得到的废渣在水泥领域中的应用;
优选地,所述废渣作为水泥缓凝剂应用在水泥领域中;
优选地,所述废渣中SO3的质量含量为45~55%。
第三方面,在至少一个实施例中提供一种水泥缓凝剂,所述水泥缓凝剂为利用上述的氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法处理得到的废渣;
优选地,所述废渣中SO3的质量含量为45~55%。
根据本发明,采用硫酸钡重量法测试废渣中硫含量,测得其中的硫含量为(SO3)45~55%,典型但非限制性的例如可以为45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%或55%。进而表明上述废渣的主要成分为石膏,石膏的主要化学成分为硫酸钙(CaSO4)的水合物,为常用的性能优异的水泥缓凝剂。
因此,利用本发明的方法处理得到的废渣可以应用在水泥领域中。本发明提供的水泥缓凝剂即为利用本发明的氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法处理得到的废渣,该固体废渣的主要成分为石膏,因而可以调节水泥浆料的凝结速率,应用于工业水水泥的生产。本发明既实现了固体废弃物回收利用,又可以降低废液处理和水泥生产的费用。
利用本发明的废液处理方法得到的废渣可以作为水泥缓凝剂应用在水泥领域中,例如,将干燥后的废渣作为水泥缓凝剂材料,其基本过程如下:按适度比例称量废渣颗粒,混合一定量的水泥熟料,混合均匀后,投入小磨机中研磨粉碎一定时间,出料后测试样品的强度和凝结时间。
第四方面,在至少一个实施例中提供一种水泥,包括上述的水泥缓凝剂以及水泥熟料。
本发明的水泥缓凝剂和水泥,原料成本低、产品质量好,同时为氧化石墨/石墨烯的生产厂家的废液处理找到了一条出路,实现了工业级氧化石墨/石墨烯废液低成本资源化,不仅变废为宝,可获得良好的经济效果,其环保效果更为显著。
需要说明的是,上述水泥包括水泥缓凝剂和水泥熟料,但并不限于此,该水泥中还可以添加本领域常用的其他组分原料例如碱剂、煤渣等,本发明对于水泥熟料以及其他组分原料不作过多限制,该水泥的核心在于添加了本发明的水泥缓凝剂。
在一种优选的实施方式中,所述水泥缓凝剂的添加量为水泥熟料重量的3~9%;
优选地,所述水泥缓凝剂的添加量为水泥熟料重量的4~6%。
根据本发明,对于水泥缓凝剂的添加量不作过多限制,可以由本领域技术人员根据实际情况进行调控。水泥缓凝剂的添加量一般为水泥熟料重量的3~9%,典型但非限制性的例如可以为3%、3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%、6.5%、7%、7.5%、8%、8.5%或9%。
作为本发明的一种优选实施方式,该氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法(和应用方法),具体步骤如下:
生产氧化石墨的Hummers法(J.Am.Chem.Soc.1958,80(6),1339–1339)或者是改进的化学法(ACSNano,2010,4(8),4806–4814),基本过程如下:以石墨粉、鳞片石墨或者是膨胀石墨为原料,以浓硫酸为插层剂,以高锰酸钾为氧化剂,选择磷酸或者硝酸钠为助剂,对石墨原料进行氧化反应;通过充分反应后,加纯水稀释,并加入稀的过氧化氢溶液来中止反应,通过压滤或者是离心来进行固液分离,用纯水对固体物料进行重复洗涤,并收集洗涤过程中产生的酸性废液;
向装有酸性废液的搅拌罐中,分批次投入计量的熟石灰粉,搅拌,并测试处理过程中的酸碱性变化,当混合液pH为5.5~7时,停止投料,继续搅拌2.5~3.5小时,待冷却后测试确认其pH值是否在6~8之间,根据需要调节石灰粉直至pH值复合要求为止,得到浆料;
将中和后的浆料泵入隔膜压滤设备,进行压滤分离,收集产生的固体滤饼并将其搅碎,然后送入45~55℃烘箱干燥,得到废渣。
将干燥后的废渣作为水泥缓凝剂材料,其基本过程如下:按适度比例称量废渣颗粒,混合一定量的水泥熟料,混合均匀后,投入小磨机中研磨粉碎一定时间,出料后测试样品的强度和凝结时间。
本发明中所使用的水泥熟料来自于盘固水泥集团。
下面结合具体实施例、对比例和附图,对本发明作进一步说明。
实施例1
一种氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法,包括以下步骤:
采用Hummers法制备一批3kg的氧化石墨,反应过程中共计消耗118kg的浓H2SO4,8kg的KMnO4,1.33kg的NaNO3,6kg25wt.%双氧水;反应结束后,离心洗涤5次,产生的废液为1.8吨左右;
称取103kg左右的熟石灰,缓慢投料加入搅拌反应罐中并测试混合液酸碱度;投料结束后继续搅拌反应3小时,待冷却后测试pH值为7.5;
然后送入板框压滤机压滤,得到的滤饼初始固含量为49%;50℃烘干后获得灰色固体颗粒,即为废渣(见图1),采用硫酸钡重量法测得其中的硫含量为(SO3)49%。
采用小磨实验来制取水泥样品,向φ500×500mm的小球磨机中投入5000g硅酸盐水泥熟料(来自盘固水泥集团)和216g废渣,磨机转速为48r/min,球磨35分钟后出料。
实施例2
一种氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法,包括以下步骤:
采用改进Hummers法制备一批3kg的氧化石墨,反应过程中共计消耗138kg的浓H2SO4,8kg的KMnO4,15kg的H3PO3,5.5kg25wt.%双氧水;反应结束后,离心洗涤5次,产生的废液为2吨左右;
称取120kg左右的熟石灰,缓慢投料加入搅拌反应罐中并测试混合液酸碱度;投料结束后继续搅拌反应3小时,待冷却后测试pH值为7.2;
然后送入板框压滤机压滤,得到的滤饼初始固含量约为50%;55℃烘干后获得灰色固体颗粒,即为废渣,采用硫酸钡重量法测得其中的硫含量为(SO3)46%。
采用小磨实验来制取水泥样品,向φ500×500mm的小球磨机中投入5000g硅酸盐水泥熟料(来自盘固水泥集团)和230g废渣,磨机转速为48r/min,球磨35分钟后出料。
实施例3
一种氧化石墨/石墨烯生产中废液的处理方法,包括以下步骤:
采用Hummers法制备一批3kg的氧化石墨,反应过程中共计消耗132kg的浓H2SO4,8kg的KMnO4,5.5kg25wt.%双氧水;反应结束后,离心洗涤5次,产生的废液为1.9吨左右;
称取115kg左右的熟石灰,缓慢投料加入搅拌反应罐中并测试混合液酸碱度;投料结束后继续搅拌反应3.5小时,待冷却后测试pH值为7.8;
然后送入隔膜压滤机压滤,得到的滤饼初始固含量为52%;52℃烘干后获得灰色固体颗粒,即为废渣,采用硫酸钡重量法测得其中的硫含量为(SO3)50%。
采用小磨实验来制取水泥样品,向φ500×500mm的小球磨机中投入5000g硅酸盐水泥熟料(来自盘固水泥集团)和250g废渣,磨机转速为48r/min,球磨35分钟后出料。
对比例1
空白组
采用常规的工业级石膏添加,硫酸钡重量法测得其中的硫含量(SO3)为46%。
采用小磨实验来制取水泥样品,向φ500×500mm的小球磨机中投入5000g硅酸盐水泥熟料(来自盘固水泥集团)和230g工业石膏,磨机转速为48r/min,球磨35分钟后出料。
性能测试
分别对实施例1-3和对比例1的水泥样品进行性能测试,依据GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》中记载的方法测试水泥胶砂强度;依据GB1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中记载的方法检测水泥凝结时间。测试结果如表1所示。
表1实施例1-3和对比例1的测试结果
由表1可以看出,利用本发明的废液处理方法处理得到的固体废渣也能产生和工业石膏相近的调节水泥砂浆凝结的效果,因而可以作为水泥缓凝剂材料来使用,既实现了固体废弃物回收利用,又可以降低废液处理和水泥生产的费用。
本发明利用废渣作为水泥缓凝剂的效果至少可以达到常规缓凝剂的缓凝效果。此外,相比于目前的工业石膏,废渣还具有增加水泥强度的效果,这可能与废渣中所含有的金属氧化物和氧化石墨有关。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。