CN111377665B - 一种固废基多孔污水处理剂及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及污水处理剂的制备技术领域，尤其涉及一种固废基多孔污水处理剂及其制备方法与应用。按重量份计，所述固废基多孔污水处理剂原料组成包括以下组分：赤泥20‑60份，矿粉30‑50份，粉煤灰10‑30份，钢渣10‑30份，沸石8‑10份；发泡剂6‑8份，激发剂4‑6份，稳泡剂6‑8份。本发明的技术方案以赤泥、矿粉、粉煤灰和钢渣为主要原料，不仅固废利用率高、制作工艺简单、成本低，而且制备的污水处理剂对污染物去除率高。

Description

一种固废基多孔污水处理剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及污水处理剂的制备技术领域，尤其涉及一种固废基多孔污水处理剂及其制备方法与应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
赤泥是工业上从铝土矿中提炼氧化铝排出的红色固体废渣，根据制备工艺可以分为烧结法赤泥和拜耳法赤泥。据统计，全球每年排放的赤泥量约6000万吨，仅我国每年赤泥产量就达600万吨，并且均采用露天堆存的方法贮存。赤泥堆放不仅占用大量土地，并且赤泥中的碱会向地下渗透，造成地下水体和土壤污染。赤泥粉尘随风飘扬也会导致生态环境的恶化。矿粉是生铁冶炼过程中的工业废渣，具有良好的潜在水硬性，也已普遍应用于水泥基材料的生产，但目前矿粉价格涨势明显，控制其掺量或复掺其他低价固废是一种较好的途径。粉煤灰是火力电厂发电过程中排放的煤炭燃烧后的废弃物，煤燃烧1t原煤，能生产粉煤灰250-300kg，排放量大。但目前利用效率却较低。钢渣是转炉炼钢和电弧炉炼钢产生的工业固废，具有水硬性，可磨细作为辅助性胶凝材料在水泥和混凝土中应用，我国钢渣储量在1亿吨以上，开发大宗量利用钢渣的新型工艺具有重大意义。因此，最大限度的限制赤泥的产量和危害，提高矿粉、粉煤灰和钢渣的利用率，实现多渠道、大数量的资源化已迫在眉睫。
目前，已有部分学者将赤泥矿粉等固废用于污水吸附剂的制备上领域，例如，中国专利文献CN 109133295A公开了一种赤泥基生活污水处理复合絮凝剂，以赤泥、废硫酸和煤粉等为主要原料制备了生活污水絮凝剂。中国专利文献CN 106241997B公开了一种以赤泥和磷矿石为主要原料制备污水絮凝剂的方法，有效降低了污水COD值、浊度和色度。中国专利文献CN 110407349A公开了一种以粉煤灰为主要材料处理养殖污水的方法及养殖污水处理装置，通过吸附、收集、脱水等步骤，有效去除了污水中的重金属离子，细菌及悬浮的胶体杂质等。
然而，本发明人发现：虽然以上方法制备的污水处理剂一定程度上利用了赤泥、矿粉、粉煤灰及钢渣，但其存在一下几方面的缺点：(1)固废利用率低、利用对象单一。(2)工艺复杂，能耗大。(3)污水处理指标单一、处理效率低。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种固废基多孔污水处理剂及其制备方法与应用。本发明的技术方案以赤泥、矿粉、粉煤灰和钢渣为主要原料，不仅固废利用率高、制作工艺简单、成本低，而且制备的污水处理剂对污染物去除率高。
本发明第一目的：提供一种固废基多孔污水处理剂。
本发明第二目的：提供一种固废基多孔污水处理剂的制备方法。
本发明第三目的：提供所述固废基多孔污水处理剂及其制备方法的应用。
为实现上述发明目的，具体地，本发明公开了以下技术方案：
首先，本发明公开一种固废基多孔污水处理剂，按重量份计，其原料组成包括以下组分：赤泥20-60份，矿粉30-50份，粉煤灰10-30份，钢渣10-30份，沸石8-10份；发泡剂6-8份，激发剂4-6份，稳泡剂6-8份。
进一步地，所述固废基多孔污水处理剂的原料还包括水，可选地，水灰比为0.35-0.42。可选地，所述水包括纯水或工业用水。
进一步地，所述赤泥为拜耳法、烧结法或联合法产生的赤泥中的任意一种，所得赤泥经过烘干至含水率小于1％，粉磨至比表面积440-500m2/kg。
进一步地，所述矿粉为高炉矿渣粉经过烘干至含水率小于1％，粉磨至比表面积350-400m2/kg。
进一步地，所述钢渣为转炉钢渣经过烘干至含水率小于1％，粉磨至比表面积350-400m2/kg。
进一步地，所述粉煤灰为超细粉煤灰，平均粒径小于5μm，密度2.1-2.3g/cm3，含水率小于1％，比表面积69.1-73.4m2/kg。
进一步地，所述沸石为天然沸石或人工沸石的至少一种经烘干至含水率小于1％，粉磨至比表面积500-600m2/kg。
进一步地，所述发泡剂包括植物发泡剂、动物发泡剂和复合型发泡剂中的至少一种。
进一步地，所述激发剂包括碱性激发剂(例如，氢氧化钠、氢氧化钾、硅酸钠、硅酸钾、碳酸钠和碳酸氢钠)、酸性激发剂(例如，磷酸、草酸)和盐激发剂(例如，硫酸钠、偏铝酸钠、偏铝酸钾)的至少一种。
进一步地，所述稳泡剂是硅酸镁铝、钠基膨润土、纤维素醚和聚乙烯醇中的至少一种。
其次，本发明公开所述固废基多孔污水处理剂的制备方法，包括如下步骤：将各原料按照比例混合均匀制成浆体，再浇入球形模具中，脱模后干燥，即得球形多孔污水处理剂。
最后，本发明公开所述固废基多孔污水处理剂在污水处理领域中的应用。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
(1)本发明合理利用了固废协同理论，赤泥、矿粉、钢渣和粉煤灰在碱激发作用下发生了地聚物反应，巧妙地利用生成的地聚物具有孔隙率高、气孔均匀稳定的特点达到了净化污水的目的。
(2)本发明制备的污水处理剂不仅能够大宗利用固废，实现固废资源化利用，而且污水净化效率高。由于矿粉是良好的高钙潜在水硬性材料，水化硬化后能为整个处理剂颗粒体系提供支撑，赤泥中组分Al2O3、SiO2和Fe2O3，钢渣含有的大量硅酸三钙和硅酸二钙、硅钙铝氧化物等发生地聚物反应，生成的地聚物孔隙率高，气孔均匀且强度高，从而形成了稳定的吸附体系。赤泥和粉煤灰具有胶结孔架结构，内部孔隙丰富且比表面积大，在发泡剂的作用下能形成丰富且稳定的孔隙，进一步提升了本材料的吸附净化能力。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，本发明人发现目前本发明人发现：现有的一些方法制备的污水处理剂一定程度上利用了赤泥、矿粉、粉煤灰及钢渣，但仍然存在对固废利用率低、利用量少、制作工艺复杂且污水处理效率低等方面的不足。因此，本发明提出了一种固废基多孔污水处理剂及其制备方法，下面结合具体实施方式对本发明进一步说明。
涉及术语说明
术语“碱激发剂”：一般用于胶凝材料中促进其水化作用，其在本发明中是为了利用碱激发剂的催化原理对固废进行胶凝活性激发。
术语“赤泥”：是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，其在本发明中的作用是形成稳定的孔隙并提供地聚物反应所需的铁铝氧化物。
术语“高炉矿渣”：是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。其在本发明中的作用是水化后提升体系的强度并提供地聚物反应所需的氧化钙等。
术语“粉煤灰”：是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。其在本发明中的作用是形成稳定的孔隙并提供地聚物反应所需的硅铝氧化物。
术语“钢渣”，是冶金工业中产生的废渣，其主要矿物组成为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁酸二钙、镁、铁、锰的氧化物(FeO、MgO、MnO形成的固熔体)、游离石灰(f-CaO)等。其在本发明中的作用是提供地聚物反应所需的钙、铁氧化物等。
下列实施例中，所述赤泥购自山东魏桥创业集团有限公司，经本发明破碎后放入烘干箱烘干至含水率小于1％，放入球磨机中粉磨至比表面积440-500m2/kg，并用于本发明实施例中。
下列实施例中，所述高炉矿渣购自莱芜鲁碧矿粉厂，经本发明破碎后放入烘干箱烘干至含水率小于1％，放入球磨机中粉磨至比表面积350-400m2/kg，并用于本发明实施例中。
下列实施例中，所述钢渣购自济南金凯源钢渣厂，经本发明破碎后放入烘干箱烘干至含水率小于1％，放入球磨机中粉磨至比表面积350-400m2/kg，并用于本发明实施例中。
下列实施例中，所述粉煤灰购自济南平阴鑫源粉煤灰有限公司，经本发明放入烘干箱烘干至含水率小于1％，然放入球磨机中粉磨至平均粒径小于5μm，密度2.1-2.3g/cm3，比表面积69.1-73.4m2/kg，并用于本发明实施例中。
下列实施例中，所述沸石经本发明放入烘干箱烘干至含水率小于1％，然放入球磨机中粉磨至比表面积500-600m2/kg，并用于本发明实施例中。
第一实施例
一种固废基多孔污水处理剂的制备，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，称取如表1所示原料。
表1
组分 赤泥 矿粉 粉煤灰 钢渣 沸石 复合型发泡剂 氢氧化钠 硅酸镁铝 水
含量 40 40 20 20 9 8 6 6 52
(2)将表1中的赤泥、矿粉、粉煤灰和钢渣先投入强制式搅拌机中搅拌30min，再倒入复合型发泡剂、氢氧化钠、硅酸镁铝和水，搅拌均匀，将得到的浆体浇入球形模具中，脱模后干燥，即得球形多孔污水处理剂。
第二实施例
一种固废基多孔污水处理剂的制备，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，称取如表2所示原料。
表2
组分 赤泥 矿粉 粉煤灰 钢渣 沸石 复合型发泡剂 硅酸钠 聚乙烯醇 水
含量 60 30 20 30 10 8 6 8 60
(2)将表2中的赤泥、矿粉、粉煤灰和钢渣先投入强制式搅拌机中搅拌30min，再倒入复合型发泡剂、氢氧化钠、硅酸镁铝和水，搅拌均匀，将得到的浆体浇入球形模具中，脱模后干燥，即得球形多孔污水处理剂。
第三实施例
一种固废基多孔污水处理剂的制备，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，称取如表3所示原料。
表3
组分 赤泥 矿粉 粉煤灰 钢渣 沸石 复合型发泡剂 碳酸氢钠 钠基膨润土 水
含量 20 30 10 15 8 7 4 6 35
(2)将表3中的赤泥、矿粉、粉煤灰和钢渣先投入强制式搅拌机中搅拌25min，再倒入复合型发泡剂、氢氧化钠、硅酸镁铝和水，搅拌均匀，将得到的浆体浇入球形模具中，脱模后干燥，即得球形多孔污水处理剂。
第四实施例
一种固废基多孔污水处理剂的制备，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，称取如表4所示原料。
表4
组分 赤泥 矿粉 粉煤灰 钢渣 沸石 复合型发泡剂 碳酸氢钠 钠基膨润土 水
含量 50 50 30 10 9 6 6 8 53
(2)将表4中的赤泥、矿粉、粉煤灰和钢渣先投入强制式搅拌机中搅拌35min，再倒入复合型发泡剂、氢氧化钠、硅酸镁铝和水，搅拌均匀，将得到的浆体浇入球形模具中，脱模后干燥，即得球形多孔污水处理剂。
第五实施例
一种固废基多孔污水处理剂的制备，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，称取如表5所示原料。
表5
组分 赤泥 矿粉 粉煤灰 钢渣 沸石 复合型发泡剂 氢氧化钠 硅酸镁铝 水
含量 0 40 20 20 9 8 6 6 52
(2)将表5中的赤泥、矿粉、粉煤灰和钢渣先投入强制式搅拌机中搅拌30min，再倒入复合型发泡剂、氢氧化钠、硅酸镁铝和水，搅拌均匀，将得到的浆体浇入球形模具中，脱模后干燥，即得球形多孔污水处理剂。
第六实施例
一种固废基多孔污水处理剂的制备，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，称取如表6所示原料。
表6
组分 赤泥 矿粉 粉煤灰 钢渣 沸石 复合型发泡剂 硅酸钠 聚乙烯醇 水
含量 60 30 0 30 10 8 6 8 60
(2)将表6中的赤泥、矿粉、粉煤灰和钢渣先投入强制式搅拌机中搅拌30min，再倒入复合型发泡剂、氢氧化钠、硅酸镁铝和水，搅拌均匀，将得到的浆体浇入球形模具中，脱模后干燥，即得球形多孔污水处理剂。
性能测试
以对污水中的
Figure BDA0002420217780000081
Cr3+为检测对象，测试第一至第四实施例制备的固废基多孔污水处理剂的对上述两种污染因子的去除率，按照1吨污水投加10kg球形吸附剂计算，结果如表5所示。
表5
Figure BDA0002420217780000091
从表1的测试数据可以看出，本发明实施例制备的固废基多孔污水处理剂对
Figure BDA0002420217780000092
和Cr3+表现出了优异的去除率。经过本发明进一步研究发现，这是因为本发明赤泥、矿粉、钢渣和粉煤灰发生了地聚物反应，形成的地聚物具有孔隙率高的特点，其吸附能力较强，此外，赤泥和粉煤灰具有胶结孔架结构，内部孔隙丰富且比表面积大，在发泡剂的作用下能形成丰富且稳定的孔隙，进一步提升了本发明制备的吸附剂的吸附净化能力，并且赤泥具有一定的碱性，水化后释放的OH-会将污水中的
Figure BDA0002420217780000093
中和，并对Cr3+进行沉淀，所以本发明对
Figure BDA0002420217780000094
和Cr3+表现出了优异的去除率。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种能够去除
Figure FDA0003007748280000011
和Cr3+的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，按重量份计，其原料组成包括以下组分：赤泥20-60份，矿粉30-50份，粉煤灰10-30份，钢渣10-30份，沸石8-10份；发泡剂6-8份，激发剂4-6份，稳泡剂6-8份；
所述固废基多孔污水处理剂的制备方法，包括如下步骤：将各原料按照比例混合均匀制成浆体，再浇入球形模具中，脱模后干燥，即得球形多孔污水处理剂。
2.如权利要求1所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述固废基多孔污水处理剂的原料还包括水。
3.如权利要求2所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，水灰比为0.35-0.42。
4.如权利要求2所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述水包括纯水或工业用水。
5.如权利要求1-4任一项所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述赤泥为拜耳法、烧结法或联合法产生的赤泥中的任意一种。
6.如权利要求5所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述赤泥含水率小于1％，比表面积440-500m2/kg。
7.如权利要求1-4任一项所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述矿粉为高炉矿渣粉。
8.如权利要求7所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述矿粉含水率小于1％，比表面积350-400m2/kg。
9.如权利要求1-4任一项所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述钢渣为转炉钢渣。
10.如权利要求9所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，转炉钢渣含水率小于1％，比表面积350-400m2/kg。
11.如权利要求1-4任一项所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述粉煤灰为超细粉煤灰，平均粒径小于5μm，密度2.1-2.3g/cm3。
12.如权利要求11所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述粉煤灰含水率小于1％，比表面积69.1-73.4m2/kg。
13.如权利要求1-4任一项所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述沸石为天然沸石或人工沸石的至少一种。
14.如权利要求13所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，沸石含水率小于1％，比表面积500-600m2/kg。
15.如权利要求1-4任一项所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述发泡剂包括植物发泡剂、动物发泡剂和复合型发泡剂中的至少一种。
16.如权利要求1-4任一项所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述激发剂包括碱性激发剂、酸性激发剂、盐激发剂中的至少一种。
17.如权利要求1-4任一项所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述稳泡剂是硅酸镁铝、钠基膨润土、纤维素醚和聚乙烯醇中的至少一种。
18.如权利要求16所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述碱性激发剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、硅酸钠、硅酸钾、碳酸钠、碳酸氢钠中的任意一种。
19.如权利要求16所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述酸性激发剂包括磷酸或草酸。
20.如权利要求16所述的固废基多孔污水处理剂，其特征在于，所述盐激发剂包括硫酸钠、偏铝酸钠、偏铝酸钾中的任意一种。
21.权利要求1-20任一项所述的固废基多孔污水处理剂在污水处理领域中的应用。
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