CN113182324B - 一种利用微等离子体放电将生活垃圾焚烧飞灰转化为高性能废水处理剂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用微等离子体放电将生活垃圾焚烧飞灰转化为高性能废水处理剂的方法，包括以下步骤：(1)将硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰混合，得到掺磷锰飞灰；(2)将水与步骤(1)得到的掺磷锰飞灰混合，搅拌，得到掺磷锰飞灰浆；(3)将步骤(3)得到的掺磷锰飞灰浆导入微等离子体电解槽，然后同时进行连续搅拌和微等离子体放电，得到活化浆；(4)将步骤(3)得到的活化浆烘干，研磨，得到废水处理剂。本发明制备过程简单，所需原料来源广泛且易得，本发明制备的废水处理剂，氯含量均低于0.1％，二噁英类污染物含量均低于为1.5ng‑TEQ/kg，重金属的浸出浓度均不超过GB 8978中规定的最高允许排放浓度限值。

Description

一种利用微等离子体放电将生活垃圾焚烧飞灰转化为高性能 废水处理剂的方法
技术领域
本发明属于危险废弃物资源化利用领域，尤其涉及一种利用微等离子体放电将生活垃圾焚烧飞灰转化为高性能废水处理剂的方法。
背景技术
社会经济发展离不开多样化和精细化的化工产品生产，离不开化工行业的持续、健康发展。化工废水的产生不仅严重污染环境也制约着化工行业进一步转型和升级。化工废水按照污染物成分分为有机废水、重金属污染废水、高盐废水、复合污染废水四类。化工废水通常具有明显的生物毒性和环境危害性，其通常既含有多种有机污染物又含有重金属污染物，处置难度大。化工废水若未经合理处置直接排放到河水中会对生态稳定性和周边居民健康造成极大威胁。利用废水处理剂处置化工废水具有操作简单和技术兼容性强的特点。因此利用低价值原料或工业废弃物研发高性能废水处理剂是化工废液处置领域研究热点之一。
我国每年的生活垃圾产量巨大，且逐年指数性增长。为了解决垃圾围城问题，越来越多的地方市政选择垃圾焚烧发电技术处置生活垃圾。垃圾焚烧发电技术虽然实现了垃圾大幅减量，但垃圾焚烧过程也会产生大量的垃圾焚烧飞灰。垃圾焚烧飞灰属于危险废物，其既含有二噁英类强致癌性有机污染物和重金属污染物，也含有大量的可溶性氯化物。垃圾焚烧飞灰的污染特性限制了其在建筑和环保领域的应用。因此，研发一种将垃圾焚烧飞灰转化为高性能废水处理剂的方法既可以解决化工废液处置问题又可以实现垃圾焚烧飞灰的资源化利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用微等离子体放电将生活垃圾焚烧飞灰转化为高性能废水处理剂的方法，解决化工废液处置问题，并同时实现垃圾焚烧飞灰的资源化利用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用微等离子体放电将生活垃圾焚烧飞灰转化为高性能废水处理剂的方法，包括以下步骤：
(1)将硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰混合，得到掺磷锰飞灰；
(2)将水与步骤(1)得到的掺磷锰飞灰混合，搅拌，得到掺磷锰飞灰浆；
(3)将步骤(3)得到的掺磷锰飞灰浆导入微等离子体电解槽，然后同时进行连续搅拌和微等离子体放电，得到活化浆；
(4)将步骤(3)得到的活化浆烘干，研磨，得到废水处理剂。
优选的，所述步骤(1)中，硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰的质量比为2～12:10～40:100。
优选的，所述步骤(2)中，水与掺磷锰飞灰液固体比为0.5～1.5:1mL:g，搅拌时间为10～30分钟。
优选的，所述步骤(3)中，连续搅拌和微等离子体放电时间为0.5～7.5小时。
优选的，所述步骤(3)中，搅拌速率60～360rpm。
优选的，所述步骤(3)中，微等离子体电解槽包括样品区、阳极、阴极，阳极和阴极通过导线连接直流电源，微等离子体放电设置在阳极，微等离子体放电过程中通入的气氛从阳极微孔通入到掺磷锰飞灰浆中，阳极和阴极之间加载的电压为300～5000V，阳极和阴极之间电流阈值范围为5～500A，微等离子体放电过程中通入的气氛为空气或氧气，微等离子体放电过程中通入的气氛流速为20～1000mL/min。
优选的，所述步骤(4)中，烘干温度为50～250℃，研磨时间为10～30分钟。
本发明的原理是：将水与掺磷锰飞灰混合后，搅拌过程中磷酸钠能够与垃圾焚烧飞灰中的氧化钙和碳酸钙反应生成羟基磷灰岩。飞灰中的部分重金属离子能够与磷酸根反应生成重金属磷酸盐沉淀，部分重金属离子可替换羟基磷灰岩中的钙离子，从而吸附并固定在羟基磷灰岩中。硫酸锰能够与磷酸钠和垃圾焚烧飞灰中的氧化铝、氧化钙和碳酸钙反应，生成磷酸锰、硫酸钙和钙矾石互掺的混合物。掺磷锰飞灰浆导入微等离子体电解槽，微等离子体电解作用过程中，掺磷锰飞灰浆中的氯离子在电迁移作用下迁移到阳极失去电子转化为氯气。微等离子体放电过程中通入的氧气或空气中的氧气在阳极腔中发生电离和解离转化为氧自由基和臭氧。氧自由基和臭氧通过搅拌器搅拌与飞灰浆充分混合，从而能够实现飞灰浆中二噁英类污染物的高效分解和去除。同时氧自由基和臭氧还可使得二价锰发生氧化，生成锰酸根和高锰酸根。锰酸根和高锰酸根能够与飞灰中氧化钙和碳酸钙反应生成锰酸钙和高锰酸钙。同时微等离子体放电过程释放的热及氧自由基和臭氧还能够诱发磷酸锰转化成三维开放骨架磷酸锰。同时在阴极表面的水分子得到电子生成氢氧根。氢氧根能够进一步强化羟基磷灰岩和钙矾石的生成。在微等离子体放电和电解槽中搅拌器的持续搅拌下，最终生成三维开放骨架磷酸锰、羟基磷灰岩、钙矾石、硫酸钙、锰酸钙、高锰酸钙充分互掺的高性能废水处理剂。
有益效果：本发明制备过程简单，所需原料来源广泛且易得，通过先将磷酸钠、硫酸锰、垃圾焚烧飞灰混合、制浆，然后经微等离子体放电技术将垃圾焚烧飞灰转化为高性能废水处理剂。本发明制备的废水处理剂，氯含量均低于0.1％，二噁英类污染物含量均低于为1.5ng-TEQ/kg，重金属的浸出浓度均不超过GB 8978中规定的最高允许排放浓度限值。本发明制备的废水处理剂可同步去除废液中重金属和有机污染物，重金属和有机污染物最高去除率均超过99％。
附图说明
图1为本发明制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做更进一步的解释。
下述实施例中，生活垃圾焚烧飞灰取自常熟某垃圾焚烧发电厂，为布袋除尘器收集。垃圾焚烧飞灰样中主要含有以下质量含量的成分：30％～45％CaO、10％～20％Cl、6％～12％Na2O、6％～12％K2O、3％～8％SO2、3％～8％SiO2、2％～6％MgO、2％～6％Fe2O3、2％～6％Al2O3、0.5％～1.5％CrO3、0.1％～0.5％CdO、0.1％～0.5％NiO、0.1％～0.5％PbO等。
实施例1硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰质量比对所制备的废水处理剂性能影响
按照硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰质量比2:10:100、7:10:100、12:10:100、2:25:100、7:25:100、12:25:100、2:40:100、7:40:100、12:40:100分别称取硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰，混合，得到掺磷锰飞灰。按照水与掺磷锰飞灰液固体比0.5:1mL:g分别称取水与掺磷锰飞灰，混合，搅拌10分钟，得到掺磷锰飞灰浆。将掺磷锰飞灰浆导入微等离子体电解槽，然后同时进行连续搅拌和微等离子体放电0.5小时，得到活化浆，其中搅拌速率60rpm，微等离子体电解槽包括样品区、阳极、阴极三个主要部分，阳极和阴极通过导线连接直流电源，微等离子体放电设置在阳极，微等离子体放电过程中通入的气氛从阳极微孔通入到掺磷锰飞灰浆中，阳极和阴极之间加载的电压为300V，阳极和阴极之间电流阈值范围为5A，微等离子体放电过程中通入的气氛可为空气或氧气，微等离子体放电过程中通入的气氛流速为20mL/min。在50℃温度下将活化浆烘干，研磨10分钟，得到废水处理剂。
废水处理剂中氯含量的测定：本发明所制备的废水处理剂中氯含量按照《水泥原料中氯离子的化学分析方法》(JC/T 420-2006)进行测定。
废水处理剂重金属浸出试验：本发明所制备的废水处理剂按照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ 557)方法制备浸出液，浸出液中重金属浓度用电感耦合等离子质谱仪(Thermo ScientificTMELEMENTTM)进行检测。
废水处理剂中二噁英含量检测试验：本发明所制备的废水处理剂中二噁英含量检测参照《城市垃圾焚烧飞灰中二噁英水热降解规律研究》执行。
实施例1制备的废水处理剂的环境毒性检测结果见表1。
表1硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰质量比对所制备的废水处理剂环境毒性检测结果影响
Figure BDA0003043310910000041
由表1可知，当硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰质量比等于2～12:10～40:100时，本发明制备的废水处理剂，氯含量均低于0.1％，二噁英类污染物含量均低于为1.5ng-TEQ/kg，重金属的浸出浓度均不超过GB 8978中规定的最高允许排放浓度限值。
模拟废液配制：向1L蒸馏水中加入200mg氯化铅、200mg氯化镉、500mgCOD甲基橙污染物，120rpm速率条件下搅拌30分钟，得到模拟废液。
废液净化试验：将制得的5g废水处理剂加入到1L模拟废液中，混合，120rpm搅拌速率条件下搅拌30分钟，5000rpm转速条件下离心5分钟，得到处置后上清液。
上清液中铅和镉浓度的测定和铅和镉去除率计算：上清液中铅和镉两种污染物浓度均按照《水质32种元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ 776-2015)进行测定，重金属M(M为铅或镉)去除率按照公式(1)计算，其中RM为重金属M去除率，cM0和cMt分别为模拟废液和上清液中COD浓度(mg/L)。
Figure BDA0003043310910000042
COD浓度检测及COD去除率的计算：上清液中化学需氧量COD的浓度按照国家标准《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》(GB 11914-1989)进行测定；COD去除率按照公式(2)计算，其中RCoD为COD去除率，cc0和cct分别为模拟废液和上清液中COD浓度(mg/L)。
Figure BDA0003043310910000051
实施例1制备的废水处理剂的吸附性能检测结果见表2。
表2硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰质量比对所制备的废水处理剂吸附性能检测结果影响
Figure BDA0003043310910000052
由表2可知，当硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰质量比等于2～12:10～40:100时，本发明制备的废水处理剂可同步去除废液中重金属和有机污染物，铅去除率高于93％，镉去除率高于95％，COD去除率高于95％。
实施例2连续搅拌和微等离子体放电时间对所制备的废水处理剂性能影响
按照硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰质量比7:25:100分别称取硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰，混合，得到掺磷锰飞灰。按照水与掺磷锰飞灰液固体比1:1mL:g分别称取水与掺磷锰飞灰，混合，搅拌20分钟，得到掺磷锰飞灰浆。将掺磷锰飞灰浆导入微等离子体电解槽，然后同时进行连续搅拌和微等离子体放电0.5小时、1.5小时、2.5小时、3.5小时、4.5小时、5.5小时、6.5小时、7.5小时，得到活化浆，其中搅拌速率210rpm，微等离子体电解槽包括样品区、阳极、阴极三个主要部分，阳极和阴极通过导线连接直流电源，微等离子体放电设置在阳极，微等离子体放电过程中通入的气氛从阳极微孔通入到掺磷锰飞灰浆中，阳极和阴极之间加载的电压为2650V，阳极和阴极之间电流阈值范围为252.5A，微等离子体放电过程中通入的气氛可为空气或氧气，微等离子体放电过程中通入的气氛流速为510mL/min。在150℃温度下将活化浆烘干，研磨20分钟，得到废水处理剂。
废水处理剂中氯含量的测定、废水处理剂重金属浸出试验、废水处理剂中二噁英含量检测试验同实施例1。
实施例2制备的废水处理剂的环境毒性检测结果见表3。
表3连续搅拌和微等离子体放电时间对所制备的废水处理剂环境毒性检测结果影响
Figure BDA0003043310910000061
由表3可知，当连续搅拌和微等离子体放电时间等于0.5～7.5小时，本发明制备的废水处理剂，氯含量均低于0.04％，二噁英类污染物含量均低于为1.1ng-TEQ/kg，重金属的浸出浓度均不超过GB 8978中规定的最高允许排放浓度限值。
模拟废液配制、废液净化试验、上清液中铅和镉浓度的测定和铅和镉去除率计算、COD浓度检测及COD去除率的计算均同实施例1。
实施例2制备的废水处理剂的吸附性能检测结果见表4。
表4连续搅拌和微等离子体放电时间对所制备的废水处理剂吸附性能检测结果影响
Figure BDA0003043310910000062
由表4可知，当连续搅拌和微等离子体放电时间等于0.5～7.5小时，本发明制备的废水处理剂可同步去除废液中重金属和有机污染物，铅去除率高于96％，镉去除率高于96％，COD去除率高于98％。
实施例3阳极和阴极之间加载的电压对所制备的废水处理剂性能影响
按照硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰质量比7:25:100分别称取硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰，混合，得到掺磷锰飞灰。按照水与掺磷锰飞灰液固体比1.5:1mL:g分别称取水与掺磷锰飞灰，混合，搅拌30分钟，得到掺磷锰飞灰浆。将掺磷锰飞灰浆导入微等离子体电解槽，然后同时进行连续搅拌和微等离子体放电4小时，得到活化浆，其中搅拌速率360rpm，微等离子体电解槽包括样品区、阳极、阴极三个主要部分，阳极和阴极通过导线连接直流电源，微等离子体放电设置在阳极，微等离子体放电过程中通入的气氛从阳极微孔通入到掺磷锰飞灰浆中，阳极和阴极之间加载的电压为300V、1475V、2650V、3825V、5000V，阳极和阴极之间电流阈值范围为500A，微等离子体放电过程中通入的气氛可为空气或氧气，微等离子体放电过程中通入的气氛流速为1000mL/min。在250℃温度下将活化浆烘干，研磨30分钟，得到废水处理剂。
废水处理剂中氯含量的测定、废水处理剂重金属浸出试验、废水处理剂中二噁英含量检测试验同实施例1。
实施例3制备的废水处理剂的环境毒性检测结果见表5。
表5阳极和阴极之间加载的电压对所制备的废水处理剂环境毒性检测结果影响
Figure BDA0003043310910000071
由表5可知，当阳极和阴极之间加载的电压等于300～5000V时，本发明制备的废水处理剂，氯含量均低于0.03％，二噁英类污染物含量均低于为1ng-TEQ/kg，重金属的浸出浓度均不超过GB 8978中规定的最高允许排放浓度限值。
模拟废液配制、废液净化试验、上清液中铅和镉浓度的测定和铅和镉去除率计算、COD浓度检测及COD去除率的计算均同实施例1。
实施例3制备的废水处理剂的吸附性能检测结果见表6。
表6阳极和阴极之间加载的电压对所制备的废水处理剂吸附性能检测结果影响
Figure BDA0003043310910000081
由表6可知，当阳极和阴极之间加载的电压等于300～5000V时，本发明制备的废水处理剂可同步去除废液中重金属和有机污染物，铅去除率高于97％，镉去除率高于98％，COD去除率高于98％。
实施例4气氛流速对所制备的废水处理剂性能影响
按照硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰质量比12:40:100分别称取硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰，混合，得到掺磷锰飞灰。按照水与掺磷锰飞灰液固体比1.5:1mL:g分别称取水与掺磷锰飞灰，混合，搅拌30分钟，得到掺磷锰飞灰浆。将掺磷锰飞灰浆导入微等离子体电解槽，然后同时进行连续搅拌和微等离子体放电7.5小时，得到活化浆，其中搅拌速率360rpm，微等离子体电解槽包括样品区、阳极、阴极三个主要部分，阳极和阴极通过导线连接直流电源，微等离子体放电设置在阳极，微等离子体放电过程中通入的气氛从阳极微孔通入到掺磷锰飞灰浆中，阳极和阴极之间加载的电压为5000V，阳极和阴极之间电流阈值范围为500A，微等离子体放电过程中通入的气氛可为空气或氧气，微等离子体放电过程中通入的气氛流速分别为20mL/min、265mL/min、510mL/min、755mL/min、1000mL/min。在250℃温度下将活化浆烘干，研磨30分钟，得到废水处理剂。
废水处理剂中氯含量的测定、废水处理剂重金属浸出试验、废水处理剂中二噁英含量检测试验同实施例1。
实施例4制备的废水处理剂的环境毒性检测结果见表7。
表7气氛流速对所制备的废水处理剂环境毒性检测结果影响
Figure BDA0003043310910000082
Figure BDA0003043310910000091
由表7可知，当气氛流速等于20～1000mL/min时，本发明制备的废水处理剂，氯含量均低于0.04％，二噁英类污染物含量均低于为1ng-TEQ/kg，重金属的浸出浓度均不超过GB 8978中规定的最高允许排放浓度限值。
模拟废液配制、废液净化试验、上清液中铅和镉浓度的测定和铅和镉去除率计算、COD浓度检测及COD去除率的计算均同实施例1。
实施例4制备的废水处理剂的吸附性能检测结果见表8。
表8气氛流速对所制备的废水处理剂吸附性能检测结果影响
Figure BDA0003043310910000092
由表8可知，当气氛流速等于20～1000mL/min时，本发明制备的废水处理剂可同步去除废液中重金属和有机污染物，铅去除率高于98％，镉去除率高于98％，COD去除率高于98％。
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 (6)

1.一种利用微等离子体放电将生活垃圾焚烧飞灰转化为高性能废水处理剂的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰混合，得到掺磷锰飞灰；
（2）将水与步骤（1）得到的掺磷锰飞灰混合，搅拌，得到掺磷锰飞灰浆；
（3）将步骤（2）得到的掺磷锰飞灰浆导入微等离子体电解槽，然后同时进行连续搅拌和微等离子体放电，得到活化浆；微等离子体电解槽包括样品区、阳极、阴极，阳极和阴极通过导线连接直流电源，微等离子体放电设置在阳极，微等离子体放电过程中通入的气氛从阳极微孔通入到掺磷锰飞灰浆中，阳极和阴极之间加载的电压为300~5000V，阳极和阴极之间电流阈值范围为5~500A，微等离子体放电过程中通入的气氛为空气或氧气，微等离子体放电过程中通入的气氛流速为20~1000mL/min；
（4）将步骤（3）得到的活化浆烘干，研磨，得到废水处理剂。
2.根据权利要求1所述的利用微等离子体放电将生活垃圾焚烧飞灰转化为高性能废水处理剂的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，硫酸锰、磷酸钠、垃圾焚烧飞灰的质量比为2~12:10~40:100。
3.根据权利要求1所述的利用微等离子体放电将生活垃圾焚烧飞灰转化为高性能废水处理剂的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，水与掺磷锰飞灰液固体比为0.5~1.5:1mL:g，搅拌时间为10~30分钟。
4.根据权利要求1所述的利用微等离子体放电将生活垃圾焚烧飞灰转化为高性能废水处理剂的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，连续搅拌和微等离子体放电时间为0.5~7.5小时。
5.根据权利要求1或4所述的利用微等离子体放电将生活垃圾焚烧飞灰转化为高性能废水处理剂的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，搅拌速率60~360rpm。
6.根据权利要求1所述的利用微等离子体放电将生活垃圾焚烧飞灰转化为高性能废水处理剂的方法，其特征在于：所述步骤（4）中，烘干温度为50~250°C，研磨时间为10~30分钟。
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