CN112391642B - 一种利用城市生活垃圾焚烧飞灰制备氢氧化钠和氢氧化钾的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用城市生活垃圾焚烧飞灰制备氢氧化钠和氢氧化钾的方法，包括以下步骤：(1)将水与城市生活垃圾焚烧飞灰混合，得到待处理飞灰浆；(2)将待处理飞灰浆倒入电动反应槽的样品处置区，进行电动处置；(3)将阴极电解液从电动反应槽的阴极室排出，通过微孔滤膜过滤，得到初始阴极电解液；(4)将初始阴极电解液倒入低温等离子体反应器中，进行低温等离子体照射，得到活化阴极液；(5)将活化阴极液通过纳滤膜过滤，得到净化活化阴极液，真空烘干，研磨，得到氢氧化钠和氢氧化钾。本发明通过联用电驱动与低温等离子体照射技术回收垃圾焚烧中的钠、钾元素，制备高价产物氢氧化钠和氢氧化钾，并实现产物纯化。
Description
技术领域
本发明涉及城市生活垃圾焚烧飞灰的资源化利用技术领域，尤其涉及一种利用城市生活垃圾焚烧飞灰制备氢氧化钠和氢氧化钾的方法。
背景技术
城市生活垃圾焚烧飞灰是由烟气净化系统收集获得，含有重金属和二噁英类等污染物。而对城市生活垃圾焚烧飞灰的资源化利用主要通过高温熔融、水泥窑协同处置、建筑胶凝材料研发这三种途径实现。城市生活垃圾焚烧飞灰主要由O、Ca、Cl、Na、K、S、Al等元素组成，其中氯含量可高达飞灰自身质量的5％～25％。城市生活垃圾焚烧飞灰高氯的特性限制了其资源化途径的拓展与利用。脱氯成为城市生活垃圾焚烧飞灰资源化的前提。《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范》(HJ 1134-2020)对飞灰处理产物用于水泥熟料生产及其它资源化利用途径都提出了控制飞灰中可溶性氯含量的要求。当前，城市生活垃圾焚烧飞灰常温脱氯主要通过水洗和电动两种工艺实现。飞灰水洗后产生大量的高浓度含盐废水通常需要经过脱钙、过滤、结晶等环节处理，结晶产物主要为含有杂质的氯化钠和氯化钾。氯化钠和氯化钾市场价格便宜，因此通过水洗结晶获得的含有杂质的氯化钠和氯化钾回收途径窄，资源化阻力大。通过电动处置飞灰，飞灰中的氯可转化为氯气和次氯酸，而钾和钠则可转化为氢氧化钾和氢氧化钠。氢氧化钾和氢氧化钠市场价值远高于氯化钠和氯化钾，且可利用途径多。然而在电动过程中飞灰中大量的钙离子会协同钾和钠离子进入阴极液，从而导致获得的氢氧化钾和氢氧化钠产品含量较低，杂质含量较多。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用城市生活垃圾焚烧飞灰制备氢氧化钠和氢氧化钾的方法，以解决现有技术中存在的飞灰无害化处置和资源化利用的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用城市生活垃圾焚烧飞灰制备氢氧化钠和氢氧化钾的方法，包括以下步骤：
(1)将水与城市生活垃圾焚烧飞灰混合，搅拌均匀，得到待处理飞灰浆；
(2)将待处理飞灰浆倒入电动反应槽的样品处置区，在阴阳极电极室分别加入水至没过样品处置区堆置的待处理飞灰浆，启动电源进行电动处置；
(3)电动处置后，将阴极电解液从电动反应槽的阴极室排出，通过微孔滤膜过滤，得到初始阴极电解液；
(4)将初始阴极电解液倒入低温等离子体反应器中，低温等离子体反应器底部曝入氧气，同时进行低温等离子体照射，得到活化阴极液；
(5)将活化阴极液通过纳滤膜过滤，得到净化活化阴极液，将净化活化阴极液真空烘干，研磨，得到氢氧化钠和氢氧化钾。
优选的，所述步骤(1)中，水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比为1～4:1mL/mg。
优选的，所述步骤(2)中，电动处置时间为2～12小时，电动处置过程中样品处置区加载的电压梯度为1～4V/cm，电动过程中样品处置区加载的电流为100～500A。
优选的，所述步骤(3)中，微孔滤膜的孔径为0.2～0.8μm。
优选的，所述步骤(4)中，低温等离子体照射的时间为1～4小时，低温等离子体照射的作用电压为10～50kV。
优选的，所述步骤(5)中，纳滤膜的孔径为1～10nm。
本发明的原理是：将水与城市生活垃圾焚烧飞灰混合后，飞灰中可溶性的钠盐和钾盐溶解到待处理飞灰浆中。电动启动后，水分子在阳极失去电子分解形成氢离子和氧气，水分子在阴极得到电子生成氢氧根和氢气。待处理飞灰浆中的钠离子和钾离子在电迁移作用下向阴极迁移。迁移至阴极室的钠离子与钾离子与氢氧根结合，形成氢氧化钠和氢氧化钾。阳极水解产生的氢离子迁移至待处理飞灰浆中后可促进飞灰颗粒中钙离子和重金属离子的溶解。溶解在飞灰浆中的钙离子和重金属离子在电迁移作用先下迁移至阴极室然后与氢氧根离子结合生成絮状产物和少量沉淀物。将阴极电解液通过微孔滤膜过滤，可去除阴极电解液中的沉淀物和部分絮状产物，初步提高阴极电解液中氢氧化钠和氢氧化钾纯度。在低温等离子照射过程中，氧气和水蒸气在低温等离子体放电通道中发生电离和解离，生成氧自由基、氢氧根自由基和氢自由基。氧自由基和氢氧根自由基可诱发初始阴极电解液中离子态的重金属和钙离子向絮状物和沉淀物转化。而低温等离子体作用过程中释放的热和微波可诱发絮状产物向沉淀物转化。将活化阴极电解液通过纳滤膜过滤，可进一步去除阴极电解液中的沉淀物和部分絮状产物，进一步提高阴极电解液中氢氧化钠和氢氧化钾纯度。
有益效果：本发明的方法制备过程简单，通过联用电驱动与低温等离子体照射技术回收垃圾焚烧中的钠、钾元素，制备高价产物氢氧化钠和氢氧化钾，并实现产物纯化。本发明利用城市生活垃圾焚烧飞灰制备的氢氧化钠和氢氧化钾的含量最高为99.7％。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1为本发明的一种利用城市生活垃圾焚烧飞灰制备氢氧化钠和氢氧化钾的方法，包括以下步骤：
(1)将水与城市生活垃圾焚烧飞灰混合，搅拌均匀，得到待处理飞灰浆；其中，水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比优选为1～4:1mL/mg；
(2)将待处理飞灰浆倒入电动反应槽的样品处置区，在阴阳极电极室分别加入水至没过样品处置区堆置的待处理飞灰浆，启动电源进行电动处置2～12小时；其中，电动处置过程中样品处置区加载的电压梯度优选为1～4V/cm，电动过程中样品处置区加载的电流优选为100～500A；
(3)电动处置后，将阴极电解液从电动反应槽的阴极室排出，通过微孔滤膜过滤，得到初始阴极电解液；其中，微孔滤膜的孔径优选为0.2～0.8μm；
(4)将初始阴极电解液倒入低温等离子体反应器中，低温等离子体反应器底部曝入氧气，同时进行低温等离子体照射1～4小时，得到活化阴极液；其中，低温等离子体照射的作用电压优选为10～50kV；
(5)将活化阴极液通过纳滤膜过滤，得到净化活化阴极液，将净化活化阴极液真空烘干，研磨，得到氢氧化钠和氢氧化钾；其中，纳滤膜的孔径优选为1～10nm。
下面结合实施例对本发明做进一步说明。根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比对制备的氢氧化钠和氢氧化钾含量影响
按照水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比0.5:1mL/mg、0.7:1mL/mg、0.9:1mL/mg、1:1mL/mg、2.5:1mL/mg、4:1mL/mg、4.5:1mL/mg、5:1mL/mg、6:1mL/mg分别称取水与城市生活垃圾焚烧飞灰，混合，搅拌均匀，得到待处理飞灰浆。将待处理飞灰浆倒入电动反应槽的样品处置区，在阴阳极电极室分别加入水至没过样品处置区堆置的待处理飞灰浆，启动电源进行电动处置2小时，电动过程中样品区加载的电压梯度为1V/cm，电动过程中样品区加载的电流为100A。电动处置后将阴极电解液从阴极室排出，通过微孔滤膜过滤，得到初始阴极电解液，其中微孔滤膜孔径为0.8μm。将初始阴极电解液倒入低温等离子体反应器中，低温等离子体反应器底部曝入氧气，同时进行低温等离子体照射1小时，得到活化阴极液，其中低温等离子体照射的作用电压为10kV。将活化阴极液通过纳滤膜过滤，得到净化活化阴极液，其中纳滤膜孔径为10nm。将净化活化阴极液真空烘干，研磨，得到氢氧化钠和氢氧化钾。
氢氧化钠和氢氧化钾含量测试：将制备的氢氧化钠和氢氧化钾加入水中，搅拌至完全溶解，水稀释至整数刻度，摇匀，量取25mL，加酚酞指示液3滴，用浓度为0.1M硫酸滴定液滴定至红色消失，记录消耗硫酸滴定液的容积。根据消耗硫酸滴定液的容积算出氢氧化钠和氢氧化钾含量。
本实施例试验结果如表1所示。
表1水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比对制备的氢氧化钠和氢氧化钾含量影响
由表1可看出，当水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比小于1:1mL/mg(如表1中，水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比＝0.9:1mL/mg、0.7:1mL/mg、0.5:1mL/mg以及表1中未列举的更低比值)，飞灰中加水量过少，电动过程中离子迁移阻力较大，迁移效率降低，导致氢氧化钠和氢氧化钾含量随着水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比减小而显著降低。当水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比等于1:1～4mL/mg(如表1中，水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比＝1:1mL/mg、2.5:1mL/mg、4:1mL/mg时)，将水与城市生活垃圾焚烧飞灰混合后，飞灰中可溶性的钠盐和钾盐溶解到待处理飞灰浆中。电动启动后，水分子在阴极得到电子生成氢氧根和氢气。待处理飞灰浆中的钠离子和钾离子在电迁移作用下向阴极迁移。迁移至阴极室的钠离子与钾离子与氢氧根结合，形成氢氧化钠和氢氧化钾。最终，氢氧化钠和氢氧化钾含量均大于95.6％。当水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比大于4:1mL/mg(如表1中，水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比＝4.5:1mL/mg、5:1mL/mg、6:1mL/mg以及表1中未列举的更高比值)，飞灰中加水量过多，过多的钙离子溶解至飞灰浆中并迁移至阴极槽，从而使得阴极液中钙基杂质增多，导致氢氧化钠和氢氧化钾含量随着水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比增加而显著降低。总体而言，结合效益与成本，当水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比为1:1～4mL/mg时，最有利于提高氢氧化钠和氢氧化钾含量。
实施例2电压梯度对制备的氢氧化钠和氢氧化钾含量影响
按照水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比4:1mL/mg分别称取水与城市生活垃圾焚烧飞灰，混合，搅拌均匀，得到待处理飞灰浆。将待处理飞灰浆倒入电动反应槽的样品处置区，在阴阳极电极室分别加入水至没过样品处置区堆置的待处理飞灰浆，启动电源进行电动处置7小时，电动过程中样品区加载的电压梯度分别为0.5V/cm、0.7V/cm、0.9V/cm、1V/cm、2.5V/cm、4V/cm、4.5V/cm、5V/cm、6V/cm，电动过程中样品区加载的电流为300A。电动处置后将阴极电解液从阴极室排出，通过微孔滤膜过滤，得到初始阴极电解液，其中微孔滤膜孔径为0.5μm。将初始阴极电解液倒入低温等离子体反应器中，低温等离子体反应器底部曝入氧气，同时进行低温等离子体照射2.5小时，得到活化阴极液，其中低温等离子体照射的作用电压为30kV。将活化阴极液通过纳滤膜过滤，得到净化活化阴极液，其中纳滤膜孔径为5.5nm。将净化活化阴极液真空烘干，研磨，得到氢氧化钠和氢氧化钾。
氢氧化钠和氢氧化钾含量测试同实施例1。本实施例试验结果如表2所示。
表2电压梯度对制备的氢氧化钠和氢氧化钾含量影响
由表2可看出，当电压梯度小于1V/cm(如表2中，电压梯度＝0.9V/cm、0.7V/cm、0.5V/cm以及表2中未列举的更低值)，飞灰浆上加载的电压较小，阴阳电极之间电势差较小，使得水解和离子电迁移效率均较低，导致氢氧化钠和氢氧化钾含量随着电压梯度减小而显著降低。当电压梯度等于1～4V/cm(如表2中，电压梯度＝1V/cm、2.5V/cm、4V/cm)，电动启动后，水分子在阳极失去电子分解形成氢离子和氧气，水分子在阴极得到电子生成氢氧根和氢气。待处理飞灰浆中的钠离子和钾离子在电迁移作用下向阴极迁移。迁移至阴极室的钠离子与钾离子与氢氧根结合，形成氢氧化钠和氢氧化钾。阳极水解产生的氢离子迁移至待处理飞灰浆中后可促进飞灰颗粒中钙离子和重金属离子的溶解。溶解在飞灰浆中的钙离子和重金属离子在电迁移作用先下迁移至阴极室然后与氢氧根离子结合生成絮状产物和少量沉淀物。最终，氢氧化钠和氢氧化钾含量均大于99.0％。当电压梯度大于4V/cm(如表2中，电压梯度＝4.5V/cm、5V/cm、6V/cm以及表2中未列举的更高值)，飞灰浆上加载的电压过大，使得水解和离子电迁移效率过快，阴极液中迁移过多的钙离子，导致氢氧化钠和氢氧化钾含量随着电压梯度增加而显著降低。总体而言，结合效益与成本，当电压梯度为1～4V/cm时，最有利于提高氢氧化钠和氢氧化钾含量。
实施例3温等离子体照射作用电压对制备的氢氧化钠和氢氧化钾含量影响
按照水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比4:1mL/mg分别称取水与城市生活垃圾焚烧飞灰，混合，搅拌均匀，得到待处理飞灰浆。将待处理飞灰浆倒入电动反应槽的样品处置区，在阴阳极电极室分别加入水至没过样品处置区堆置的待处理飞灰浆，启动电源进行电动处置12小时，电动过程中样品区加载的电压梯度为4V/cm，电动过程中样品区加载的电流为500A。电动处置后将阴极电解液从阴极室排出，通过微孔滤膜过滤，得到初始阴极电解液，其中微孔滤膜孔径为0.8μm。将初始阴极电解液倒入低温等离子体反应器中，低温等离子体反应器底部曝入氧气，同时进行低温等离子体照射4小时，得到活化阴极液，其中低温等离子体照射的作用电压分别为5kV、7kV、9kV、10kV、30kV、50kV。将活化阴极液通过纳滤膜过滤，得到净化活化阴极液，其中纳滤膜孔径为1nm。将净化活化阴极液真空烘干，研磨，得到氢氧化钠和氢氧化钾。
氢氧化钠和氢氧化钾含量测试同实施例1。本实施例试验结果如表3所示。
表3温等离子体照射作用电压对制备的氢氧化钠和氢氧化钾含量影响
由表3可看出，当低温等离子体照射作用电压小于10kV(如表3中，低温等离子体照射作用电压＝9kV、7kV、5kV以及表3中未列举的更低值)，低温等离子照射过程中生成的氧自由基和氢氧根自由基较少，初始阴极电解液中离子态的重金属和钙离子向絮状物和沉淀物转化的效率降低，导致氢氧化钠和氢氧化钾含量随着低温等离子体照射作用电压减小而显著降低。当低温等离子体照射作用电压等于10～50kV(如表3中，低温等离子体照射作用电压＝10kV、30kV、50kV)，在低温等离子照射过程中，氧气和水蒸气在低温等离子体放电通道中发生电离和解离，生成氧自由基、氢氧根自由基和氢自由基。氧自由基和氢氧根自由基可诱发初始阴极电解液中离子态的重金属和钙离子向絮状物和沉淀物转化。而低温等离子体作用过程中释放的热和微波可诱发絮状产物向沉淀物转化。总体而言，结合效益与成本，当低温等离子体照射作用电压为10～50kV时，有利于提高氢氧化钠和氢氧化钾含量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种利用城市生活垃圾焚烧飞灰制备氢氧化钠和氢氧化钾的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将水与城市生活垃圾焚烧飞灰混合，搅拌均匀，得到待处理飞灰浆；其中，水与城市生活垃圾焚烧飞灰液固比为1～4:1mL/mg；
（2）将待处理飞灰浆倒入电动反应槽的样品处置区，在阴阳极电极室分别加入水至没过样品处置区堆置的待处理飞灰浆，启动电源进行电动处置；其中，电动处置时间为2～12小时，电动处置过程中样品处置区加载的电压梯度为1～4V/cm，电动过程中样品处置区加载的电流为100～500A；
（3）电动处置后，将阴极电解液从电动反应槽的阴极室排出，通过微孔滤膜过滤，得到初始阴极电解液；其中，微孔滤膜的孔径为0.2～0.8µm；
（4）将初始阴极电解液倒入低温等离子体反应器中，低温等离子体反应器底部曝入氧气，同时进行低温等离子体照射，得到活化阴极液；其中，低温等离子体照射的时间为1～4小时，低温等离子体照射的作用电压为10～50kV；
（5）将活化阴极液通过纳滤膜过滤，得到净化活化阴极液，其中，纳滤膜的孔径为1～10nm；将净化活化阴极液真空烘干，研磨，得到氢氧化钠和氢氧化钾。
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