CN110104744A - 一种利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂和应用及使用方法 - Google Patents

一种利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂和应用及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂，其特征在于：所述磁性絮凝剂的制备步骤如下：⑴将炼钢红尘与酸溶液均匀混合，放入20‑50℃的摇床上反应1‑8h后，即可得到初步固液混合磁性絮凝剂；⑵将步骤⑴中得到的固液混合磁性絮凝剂在105℃下烘干10h，直至液体消失，将剩余固体研磨粉碎，得到粉末状磁性絮凝剂。本磁性絮凝剂，不仅絮凝效果好，而且具有软磁性，通过外加磁场的介入，可以使产生的絮体快速沉降到液体底部，且由于主要成分为铁元素，所以不会有铝盐含有毒性的问题，同时原料为炼钢废料，这也大大地降低了该磁性絮凝剂制备成本，使得本发明具有环保和经济双重效益。

Description

一种利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂和应用及使用方法
技术领域
本发明属于利用工业废料处理废水技术领域，涉及炼钢废料钢厂红尘的二次利用和污水浊度与总磷含量的降低，尤其是一种无机矿物磁性絮凝材料和应用及使用方法。
背景技术
众所周知，随着中国日益强大，社会经济高速发展，人们对钢铁的需求量也大大增加，钢铁产业的高投资、高回报化及对上下游产业的广泛关联作用，也成为我国经济建设的中流祗柱。然而，每年巨大的钢铁产量带来的不仅仅是巨大的利益，同时也产生了大量的炼钢副产品。其中，平炉尘即钢厂红尘是一种平炉吹氧炼钢生产过程中烟气净化电除尘收集下来的粉末，它具有颗粒度细，含铁量高等特点。由于红尘产量的巨大，如何有效地去利用这种废物，变得尤为重要。
现阶段的絮凝剂可分为无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂和生物絮凝剂，但在我国制备和使用生物絮凝剂的技术还不够成熟，所以生物絮凝剂的使用还不是十分普遍。而有机高分子絮凝剂虽然具有效果好、絮凝速度快、针对性强等优点，但是由于其合成条件苛刻、价格昂贵，部分絮凝剂具有毒性且不易溶解等缺点，使用情况依然不如无机絮凝剂。现阶段无机絮凝剂作为一种适用于多种情况，且效果良好的絮凝剂被人们广泛应用于各类行业。其中聚合氯化铝(PAC)以产量最大，适用范围广，用量少等诸多优点，在国内外得到了迅猛的发展。但即使是有如此多优点的PAC也具有很多致命的缺点，首当其冲的就是PAC的沉降速度慢，这就大大降低了污水处理时的效率；且铝盐的毒性也是不可忽视的一个重点问题。
因此，制备一种絮凝效果好、沉降速度快且无污染的廉价絮凝剂是具有重要的理论意义和实用价值的。
通过检索，尚未发现与本发明专利申请相关的专利公开文献。
发明内容
本发明的目的在于克服以上提到的不足之处，提供一种利用炼钢废料钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂和应用和使用方法，利用钢厂红尘制备的磁性絮凝剂，不仅絮凝效果好，而且具有软磁性，通过外加磁场的介入，可以使产生的絮体快速沉降到液体底部，且由于主要成分为铁元素，所以不会有铝盐含有毒性的问题，同时原料为炼钢废料，这也大大地降低了该磁性絮凝剂制备成本，使得本发明具有环保和经济双重效益。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂，所述磁性絮凝剂的制备步骤如下：
⑴将炼钢红尘与酸溶液均匀混合，放入20-50℃的摇床上反应1-8h后，即可得到初步固液混合磁性絮凝剂；
⑵将步骤⑴中得到的固液混合磁性絮凝剂在105℃下烘干10h，直至液体消失，将剩余固体研磨粉碎，得到粉末状磁性絮凝剂。
而且，所述钢厂红尘中：主要成分是FeO、γ-Fe2O3、Fe3O4中的一种或几种的混合物。
而且，所述钢厂红尘中，主要成分为几种金属氧化物的混合物，其中铁氧化物占87％～89％，铝氧化物占0.5％～1％，硅氧化物占2.5％～3.5％，钙氧化物占2％～2.5％，镁氧化物占0.5％～1.5％，锰氧化物占0.4％～0.8％，其余的为少量杂质。
而且，所述步骤⑴中酸溶液的质量分数为6％-36％。
而且，所述酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸或草酸中的一种或几种混合。
而且，所述步骤⑴中炼钢红尘与酸溶液的混合比例g：mL为1:1.5-6。
如上所述的利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂在废水处理中的应用。
如上所述的利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂的使用方法，步骤如下：
使用带电磁铁的絮凝装置，将利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂以0.2-0.5/L的投加量，投加到浊度为200NTU，磷浓度为3.5mg/L，电导率大于350μs/cm的模拟废水中，由稀硫酸和氢氧化钠溶液调节pH值在5-12，并以300r/min的转速快速搅拌1-3分钟，然后以20r/min的转速慢速搅拌3-5分钟，停止搅拌，打开电磁铁开关，使放置在絮凝装置底部的电磁铁产生磁性，将絮体和磁性絮凝剂一起吸附到装置底部。
而且，所述模拟废水为利用牛奶、自来水和磷酸二氢钾配制的模拟废水。
而且，所述带电磁铁的絮凝装置包括抽水泵、进料装置、搅拌装置、反应器和磁铁，所述反应器的顶部外通过阀门相连接设置进料装置，该进料装置能够向反应器内加入磁性絮凝剂，所述反应器上相连接设置搅拌装置，该搅拌装置的中下部设置于反应器内且能够搅拌反应器内的液体；所述反应器的顶部上相对设置进水口与出水口，所述抽水泵通过进水口与反应器相连接设置，该抽水泵能够向反应器内泵入处理污水，该反应器内的底部倾斜设置磁铁，设置于磁铁上方一侧的反应器上相连通设置出泥口。
本发明取得的优点和积极效果是：
1、本发明磁性絮凝剂制备方法简单易操作，原料为工业废料，实现了资源的二次利用，为炼钢废料钢厂红尘找到了一条可行的出路。
2、本发明磁性絮凝剂的絮凝效果与常用的PAC效果相似，矾花大，产生速度快，由于具有磁效应，在磁场的作用下，沉降速度大大提升，大大提高了污水处理的效率，且与铝盐类絮凝剂相比，毒性大大降低。
附图说明
图1为本发明磁性絮凝剂的原料——钢厂红尘示意图；
图2为本发明磁性絮凝剂的成品图；
图3为本发明磁性絮凝剂与PAC沉降效果对比图；
图4为本发明磁性絮凝剂可适用的一种装置示意图；
图5为本发明磁性絮凝剂与PAC沉淀速度与效果柱状示意图。
具体实施方式
下面结合通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
为了便于理解本发明，在此先对本发明的设计理念及试验研发过程进行详细的说明：
本发明中所使用的原料除废弃物钢厂红尘外，如无特殊说明，均为常规的市售产品；本研究通过对钢厂红尘进行酸改性，并烘干成粉，制成的磁性絮凝剂，并通过模拟废水与市面上常用的PAC絮凝剂进行对比，探讨了磁性絮凝剂与PAC沉降效果的区别，同时对模拟废水絮凝后的上清液进行检测，并无超标重金属，这为今后的实际应用提供了数据支持。
本发明中提到的钢厂红尘的图片可以如图1所示，本发明制得的磁性絮凝剂的成品图如图2所示。
本发明制得的磁性絮凝剂的使用方法可以为现有技术中常规的使用方法，较优地，可以使用本发明中提到的带电磁铁的絮凝装置进行，效果更好。
实施例1
一种利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂，所述磁性絮凝剂的制备步骤如下：
(1)将5g炼钢红尘与30ml质量浓度为6％的盐酸溶液均匀混合，放入30℃的摇床上反应8h后，即可得到初步固液混合磁性絮凝剂。
(2)将步骤(1)中得到的固液混合磁性絮凝剂在105℃下烘干10h，直至液体消失，将剩余固体研磨粉碎，得到粉末状磁性絮凝剂。
将本发明磁性絮凝剂以0.5/L的投加量，投加到浊度为200NTU，磷浓度为3.5mg/L，电导率大于350μs/cm，利用牛奶、自来水和磷酸二氢钾配制的模拟废水中，由稀硫酸和氢氧化钠溶液调节pH值至10，并以300r/min的转速快速搅拌1-3分钟，然后以20r/min的转速慢速搅拌3-5分钟，停止搅拌，打开电磁铁开关，使放置在絮凝装置底部的电磁铁产生磁性，将絮体和磁性絮凝剂一起吸附到装置底部。
使用表明，通过此方法制备出的磁性絮凝剂在10分钟内，可在上述条件下将絮体完全沉降干净，且上清液浊度与总磷的去除率均可达到90％以上。
实施例2
一种利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂，所述磁性絮凝剂的制备步骤如下：
(1)将5g炼钢红尘与20ml质量浓度为15％的硫酸溶液均匀混合，放入30℃的摇床上反应6h后，即可得到初步固液混合磁性絮凝剂。
(2)将步骤(1)中得到的固液混合磁性絮凝剂在105℃下烘干10h，直至液体消失，将剩余固体研磨粉碎，得到粉末状磁性絮凝剂。
将本发明磁性絮凝剂以0.2/L的投加量，投加到浊度为200NTU，磷浓度为3.5mg/L，电导率大于350μs/cm，利用牛奶、自来水和磷酸二氢钾配制的模拟废水中，由稀硫酸和氢氧化钠溶液调节pH值至12，并以300r/min的转速快速搅拌1-3分钟，然后以20r/min的转速慢速搅拌3-5分钟，停止搅拌，打开电磁铁开关，使放置在絮凝装置底部的电磁铁产生磁性，将絮体和磁性絮凝剂一起吸附到装置底部。
使用表明，通过此方法制备出的磁性絮凝剂在10分钟内，可在上述条件下将絮体完全沉降干净，且上清液浊度与总磷的去除率均可达到89％以上。
实施例3
一种利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂，所述磁性絮凝剂的制备步骤如下：
(1)将5g炼钢红尘与20ml质量浓度为30％的硝酸溶液均匀混合，放入30℃的摇床上反应8h后，即可得到初步固液混合磁性絮凝剂。
(2)将步骤(1)中得到的固液混合磁性絮凝剂在105℃下烘干10h，直至液体消失，将剩余固体研磨粉碎，得到粉末状磁性絮凝剂。
将本发明磁性絮凝剂以0.3/L的投加量，投加到浊度为200NTU，磷浓度为3.5mg/L，电导率大于350μs/cm，利用牛奶、自来水和磷酸二氢钾配制的模拟废水中，由稀硫酸和氢氧化钠溶液调节pH值至5，并以300r/min的转速快速搅拌1-3分钟，然后以20r/min的转速慢速搅拌3-5分钟，停止搅拌，打开电磁铁开关，使放置在絮凝装置底部的电磁铁产生磁性，将絮体和磁性絮凝剂一起吸附到装置底部。
使用表明，通过此方法制备出的磁性絮凝剂在10分钟内，可在上述条件下将絮体完全沉降干净，且上清液浊度与总磷的去除率均可达到80％以上。
实施例4
一种利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂，所述磁性絮凝剂的制备步骤如下：
(1)将5g炼钢红尘与10ml质量浓度为36％的盐酸溶液均匀混合，放入30℃的摇床上反应4h后，即可得到初步固液混合磁性絮凝剂。
(2)将步骤(1)中得到的固液混合磁性絮凝剂在105℃下烘干10h，直至液体消失，将剩余固体研磨粉碎，得到粉末状磁性絮凝剂。
将本发明磁性絮凝剂以0.4/L的投加量，投加到浊度为200NTU，磷浓度为3.5mg/L，电导率大于350μs/cm，利用牛奶、自来水和磷酸二氢钾配制的模拟废水中，由稀硫酸和氢氧化钠溶液调节pH值至7，并以300r/min的转速快速搅拌1-3分钟，然后以20r/min的转速慢速搅拌3-5分钟，停止搅拌，打开电磁铁开关，使放置在絮凝装置底部的电磁铁产生磁性，将絮体和磁性絮凝剂一起吸附到装置底部。
使用表明，通过此方法制备出的磁性絮凝剂在10分钟内，可在上述条件下将絮体完全沉降干净，且上清液浊度与总磷的去除率均可达到93％以上。
在本实施例中，如图4所示，一种带电磁铁的絮凝装置，所述絮凝装置包括抽水泵1、进料装置3、搅拌装置4、反应器5和磁铁8，所述反应器的顶部外通过阀门相连接设置进料装置，该进料装置能够向反应器内加入磁性絮凝剂，所述反应器上相连接设置搅拌装置，该搅拌装置的中下部设置于反应器内且能够搅拌反应器内的液体；所述反应器的顶部上相对设置进水口2与出水口6，所述抽水泵通过进水口与反应器相连接设置，该抽水泵能够向反应器内泵入处理污水，该反应器内的底部倾斜设置磁铁，设置于磁铁上方一侧的反应器上相连通设置出泥口7。
本絮凝装置在使用时，抽水泵通过进水口将待处理污水添加到反应器中，磁性絮凝剂通过阀门来控制进料装置的进料速度与多少，通过搅拌装置将药剂与污水充分接触，出水口用来排出处理后水，出泥口用来排出絮凝后沉淀下来的絮体，设置了磁铁，通过外加磁场为磁性絮体提供更快的沉降速度，且磁铁倾斜设置，可以使絮体能更轻易地从出泥口排出。
较优地，所述进水口入口处活动连接设有一挡板，该挡板能够用来调节水质水量。
本发明磁性絮凝剂的相关检测：
1、检测步骤：
1.1絮凝剂的制备：
(1)所采用的钢厂红尘其主要成分为几种金属氧化物的混合物，其中铁氧化物占87％～89％，铝氧化物占0.5％～1％，硅氧化物占2.5％～3.5％，钙氧化物占2％～2.5％，镁氧化物占0.5％～1.5％，锰氧化物占0.4％～0.8％，其余的为少量杂质。
(2)将步骤(1)中的钢厂红尘与质量分数为6％-36％的酸溶液以1:1.5-4.5的比例g：mL在烧杯中均匀混合后，放入摇床，用保鲜膜封住烧杯口，20-50℃反应1-8h后，得到初步固液混合磁性絮凝剂。
(3)将步骤(2)中的固液混合磁性絮凝剂在105℃下烘干10h，直至液体消失，将剩余固体研磨粉碎，得到粉末状磁性絮凝剂。
1.2检测仪器
浊度仪(Turbo 550，德国WTW公司)、高速万能粉碎机(FW100，天津市泰斯特仪器有限公司)、数显恒温水浴锅(XMTD-204，天津欧诺仪器仪表有限公司)、六联同步电动搅拌器(JJ-4，金坛市医疗仪器厂)、电感耦合等离子体质谱仪(ICAPQ，德国赛默飞世尔)。
1.3检测方法
取2份等重的模拟废水，分别加入最佳投加量下的磁性絮凝剂与PAC，快速搅拌2min后，将投加磁性絮凝剂的烧杯放在一块磁铁上，沉淀一段时间后，分别取两份水样的上清液，测其浊度，并对投加了磁性絮凝剂最终稳定后的上清液进行重金属含量测定。
2、结果与讨论
2.1磁性絮凝剂与PAC对模拟废水的絮凝效果的对比
在同等条件下，由于絮凝剂种类的不同，对比出磁性絮凝剂与PAC对模拟废水的处理效果，结果如图5所示。
图5横坐标为沉淀时间，纵坐标为上清液的浊度值，由图5可以发现，磁性絮凝剂和PAC都可以很好的将模拟废水处理干净，最终都可以将上清液的浊度去除率控制在95％以上。然而，可以发现在沉降速度方面，磁性絮凝剂的效果要远优于PAC，沉淀10min后，投加磁性絮凝剂的烧杯中，体系基本稳定；而投加了PAC的烧杯中，90min后，体系才基本稳定。且由图3可知，投加了PAC的烧杯中最终絮体厚度为11mm，而加了磁性絮凝剂的烧杯中，絮体厚度仅达2mm。这表明磁性絮凝剂的沉降效果要好于PAC。
2.2磁性絮凝剂中重金属析出分析
由于本发明原料为钢厂红尘，其为一种废弃物，且组成成分为多种金属氧化物与杂质的混合物，利用其制备的磁性絮凝剂，对其重金属是否析出进行分析结果如下：
取使用磁性絮凝剂的模拟废水上清液，进行电感耦合等离子体质谱分析，结果如下表：
ND：未检测出
由表格可知，使用的磁性絮凝剂会有一部分Ca和Mg，还有少量的Cu，但有毒的重金属几乎没有，这也为今后的实际生活中使用磁性絮凝剂提供了数据基础。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。

Claims (10)

1.一种利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂，其特征在于：所述磁性絮凝剂的制备步骤如下：
⑴将炼钢红尘与酸溶液均匀混合，放入20-50℃的摇床上反应1-8h后，即可得到初步固液混合磁性絮凝剂；
⑵将步骤⑴中得到的固液混合磁性絮凝剂在105℃下烘干10h，直至液体消失，将剩余固体研磨粉碎，得到粉末状磁性絮凝剂。
2.根据权利要求1所述的利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂，其特征在于：所述钢厂红尘中：主要成分是FeO、γ-Fe2O3、Fe3O4中的一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂，其特征在于：所述钢厂红尘中，主要成分为几种金属氧化物的混合物，其中铁氧化物占87％～89％，铝氧化物占0.5％～1％，硅氧化物占2.5％～3.5％，钙氧化物占2％～2.5％，镁氧化物占0.5％～1.5％，锰氧化物占0.4％～0.8％，其余的为少量杂质。
4.根据权利要求1所述的利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂，其特征在于：所述步骤⑴中酸溶液的质量分数为6％-36％。
5.根据权利要求1所述的利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂，其特征在于：所述酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸或草酸中的一种或几种混合。
6.根据权利要求1至5任一项所述的利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂，其特征在于：所述步骤⑴中炼钢红尘与酸溶液的混合比例g：mL为1:1.5-6。
7.如权利要求1至6任一项所述的利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂在废水处理中的应用。
8.如权利要求1至6任一项所述的利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂的使用方法，其特征在于：步骤如下：
使用带电磁铁的絮凝装置，将利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂以0.2-0.5/L的投加量，投加到浊度为200NTU，磷浓度为3.5mg/L，电导率大于350μs/cm的模拟废水中，由稀硫酸和氢氧化钠溶液调节pH值在5-12，并以300r/min的转速快速搅拌1-3分钟，然后以20r/min的转速慢速搅拌3-5分钟，停止搅拌，打开电磁铁开关，使放置在絮凝装置底部的电磁铁产生磁性，将絮体和磁性絮凝剂一起吸附到装置底部。
9.根据权利要求8所述的利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂的使用方法，其特征在于：所述模拟废水为利用牛奶、自来水和磷酸二氢钾配制的模拟废水。
10.根据权利要求8或9所述的利用钢厂红尘为材料的磁性絮凝剂的使用方法，其特征在于：所述带电磁铁的絮凝装置包括抽水泵、进料装置、搅拌装置、反应器和磁铁，所述反应器的顶部外通过阀门相连接设置进料装置，该进料装置能够向反应器内加入磁性絮凝剂，所述反应器上相连接设置搅拌装置，该搅拌装置的中下部设置于反应器内且能够搅拌反应器内的液体；所述反应器的顶部上相对设置进水口与出水口，所述抽水泵通过进水口与反应器相连接设置，该抽水泵能够向反应器内泵入处理污水，该反应器内的底部倾斜设置磁铁，设置于磁铁上方一侧的反应器上相连通设置出泥口。
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