CN113929107B - 一种超重力固化赤泥中钠元素的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超重力固化赤泥中钠元素的方法及设备，属于赤泥无害化资源化利用领域。所述方法包括以下步骤：步骤1，将赤泥与CaO和SiO2的混合物加热至1300‑1400℃熔融，得到熔融后的赤泥；步骤2，将步骤1中所述熔融后的赤泥温度控制为1000‑1150℃、时间为30‑60min，将钠充分固溶进钙长石中，之后调整赤泥的重力系数G＝200‑1000，对赤泥中的钙长石及熔渣进行分离。本发明可将熔融赤泥中的钠元素充分固化进钙长石中，并实现钙长石与熔渣的高效分离；分离得到的钙长石及熔渣均不会对环境造成碱污染，钙长石和熔渣均可以作为原材料安全、无害的应用于不同领域，实现了赤泥的无害化、资源化利用。

Description

一种超重力固化赤泥中钠元素的方法及设备
技术领域
本发明涉及赤泥无害化资源化利用领域，特别是涉及一种超重力固化赤泥中钠元素的方法及设备。
背景技术
赤泥是氧化铝生产过程中产生的废渣，每生产一吨氧化铝会伴随产生0.8-1.8吨赤泥。赤泥中含有多种金属资源，如铁、铝、钠、钛、稀土、镓等金属氧化物的含量均比较高。但同时，赤泥中又含有大量的强碱性物质，主要是Na，赤泥中的钠元素遇水极易浸出，其浸出液的pH值高达12.1-13.0，赤泥附液的碱度高达26348mg/L，远超过公共水源中碱含量的适合范围(30-400mg/L)。如此高碱度的污水如果渗入地下或排进地表水，会导致水体pH值升高，增加水体中有毒有害化合物，对周围地下水体和土壤造成严重污染。
目前，赤泥主要采用露天筑坝方式予以堆存，不仅需要特定的设备和昂贵的维护费用，而且占用大面积土地资源。此外，赤泥没有胶凝性，裸露的赤泥微粉会随风飘散，对大气和生态环境造成严重污染。综上可见，赤泥的大量产生和堆存，不仅造成大量金属资源的浪费，而且还需占用土地资源，极易对环境、生态、水体造成严重污染。
目前，赤泥的利用主要集中在以下三个方面，(1)金属回收方面：主要包括湿法浸出和火法工艺，湿法工艺能实现赤泥中Fe、Al、Na、Ti、Sc、Ga等有价元素的浸出，但处理周期长，且会造成一定的环境污染，难以实现赤泥的大规模消纳；而火法工艺目前主要针对赤泥中Fe的还原分离，回收效果较差，工艺经济性较低。(2)环境保护方面：主要利用赤泥分散性好、比表面积大的特点，将其用作吸附剂，比如作为絮凝剂对废水进行处理，作脱硫剂等。(3)建筑材料方面：将赤泥作为添加剂用来制备路基、水泥、免烧砖和陶瓷等建筑材料。然而，将赤泥应用于环保和建材领域，并没能消除赤泥本身的危害，其产品和副产品仍对环境生态仍然具有很大的潜在危害。
发明内容
本发明的目的是提供一种超重力固化赤泥中钠元素的方法及设备，以解决上述现有技术存在的问题，使赤泥实现无害化、资源化利用。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明技术方案之一，一种固化赤泥中钠元素的方法，包括以下步骤：
步骤1，将赤泥与CaO和SiO2的混合物加热至1300-1400℃熔融，得到熔融后的赤泥；
在1300-1400℃，赤泥能够与CaO和SiO2充分熔融；
外加CaO和SiO2的目的是调控熔融赤泥中CaO、Al2O3、SiO2的质量比为后步钠元素向钙长石固溶提供必要的物理化学条件；
步骤2，将步骤1中所述熔融后的赤泥温度控制为1000-1150℃，时间为30-60min，将钠充分固溶进钙长石中，之后调整赤泥的重力系数G＝200-1000，对赤泥中的钙长石及熔渣进行分离；
1000-1150℃为钙长石的析出区间，将熔融态的赤泥从1300-1400℃降低至1000-1150℃，能够将钠元素充分固化进钙长石的晶格中；在钙长石的析出区间施加超重力场，能够将固化了钠元素的钙长石与熔渣高效分离；
分离过程中的熔渣为液态，钙长石为固态，钙长石和熔渣的分离过程为固液分离过程。
进一步地，步骤1中所述熔融后的赤泥中Al2O3和CaO的质量比为0.5-1:1。
进一步地，步骤1中所述熔融后的赤泥中Al2O3与SiO2的质量比为0.5-1:1。
进一步地，步骤1中所述赤泥为氧化铝工业生产过程产生的赤泥或选铁后赤泥。
进一步地，步骤2中所述分离的时间为1-30min。
本发明技术方案之二，一种固化赤泥中钠元素的设备，用于实现权利要求1-5任一项所述的方法，所述设备包括加热炉、超重力高温反应器、出渣槽和渣包；
所述加热炉与所述超重力高温反应器通过管路连接；所述超重力高温反应器与所述出渣槽之间通过多孔过滤板相连通；所述出渣槽与所述渣包通过管路连接。
进一步地，所述超重力高温反应器通过与所述热电偶电连接的电阻丝进行加热；所述超重力高温反应器底部还设置有保温系统。
进一步地，其特征在于，所述超重力高温反应器底部设置有传动轮；所述传动轮由电动机驱动。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种赤泥中钠元素的高效固化方法。本发明可将熔融赤泥中的钠元素充分固化进钙长石中，并实现钙长石与熔渣的高效分离；
固化进钙长石中的钠元素存在于钙长石相的晶格中，在自然环境下不会被浸出，保证了钙长石的安全无害性；从赤泥中分离出的钙长石可作为陶瓷和玻璃制品的原料；
由于钠元素已经被充分固化进钙长石中，因此从赤泥中分离出的熔渣已不再含有钠元素，也避免了熔渣对环境产生碱污染，熔渣可以安全应用于建材等领域，且不会对环境造成污染；
本发明将钠元素充分固化进钙长石相中，并将钙长石从赤泥中分离出来，将赤泥分离为钙长石和熔渣两部分，分离得到的钙长石及熔渣均不会对环境造成碱污染，钙长石和熔渣均可以作为原材料安全、无害的应用于不同领域，实现了赤泥的无害化、资源化利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为固化赤泥中钠元素的设备结构示意图；其中，3-加热炉、4-超重力高温反应器、5-多孔过滤板、8-电动机、9-传动轮、10-电阻丝、11-热电偶、12-保温系统、13-出渣槽、14-渣包；
图2为实施例1分离得到的钙长石和熔渣的宏观形貌及SEM图；
图3为实施例1分离得到的钙长石和熔渣的EDS谱图；
图4为实施例2分离得到的钙长石和熔渣的宏观形貌及SEM图；
图5为实施例2分离得到的钙长石和熔渣的EDS谱图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例固化赤泥中钠元素所用设备为图1所示的设备，包括：生石灰(CaO)和石英(SiO2)1、赤泥2、加热炉3、超重力高温反应器4、多孔过滤板5、钙长石6、熔渣7、电动机8、传动轮9、电阻丝10、热电偶11、保温系统12、出渣槽13、渣包14；所述加热炉与所述超重力高温反应器通过管路连接；所述超重力高温反应器与所述出渣槽之间通过多孔过滤板相连通；所述出渣槽与所述渣包通过管路连接；所述超重力高温反应器通过与所述热电偶电连接的电阻丝进行加热；所述超重力高温反应器底部还设置有保温系统；所述超重力高温反应器底部设置有传动轮；所述传动轮由电动机驱动。
实施例1
步骤1，将200kg山西铝厂的低铁赤泥1(主要技术指标为：Fe2O3 26.52％、CaO3.89％、SiO2 17.34％、Al2O3 29.74％、Na2O 10.65％)装入加热炉3中，再向加热炉3中加入77kg生石灰(CaO)和50kg石英(SiO2)2，使混合料中Al2O3：CaO质量比为0.7、Al2O3：SiO2质量比为0.70，将加热炉3升温至1300℃，使赤泥充分熔融；
步骤2、熔融后的赤泥温度控制为1050℃，时间为45min，将钠充分固溶进钙长石中，之后随管道流入超重力高温反应器4内；
步骤3、开启离心旋转控制超重力高温反应器4内部重力系数为G＝1000、分离时间为2min对赤泥中的钙长石6及熔渣7进行分离，熔渣7通过多孔过滤板5(孔径为0.05mm)经出渣槽13流入渣包14，钙长石6被截留在超重力高温反应器4内部。
对富集在超重力高温反应器4内部的钙长石6和流入渣包14的熔渣7进行检测，其宏观形貌及SEM图如图2所示。由图2能够看出钙长石与熔渣实现了高效分离，且分离的钙长石与熔渣的纯度均非常高，分离的钙长石中没有任何夹渣，而分离的渣相中没有夹杂任何钙长石颗粒。
本实施例分离得到的钙长石与熔渣的EDS结果如图3所示。由图3可以发现几乎全部Na元素已充分固化进钙长石中，而熔渣中仅能检测到微量Na元素。
本实施例分离得到的钙长石中Na含量达到10.87％，熔渣中Na含量低至0.12％，钙长石中Na元素的固化率达到99.41％。
本实施例按照HJ 557-2010国家标准，分别对分离得到的钙长石与熔渣中Na的浸出性进行了检测，证实钙长石中Na的浸出率仅为0.05％，熔渣中Na的浸出率仅为0.51％，远低于国家标准要求。
实施例2
步骤1，将100kg山东魏桥铝厂的选铁后赤泥1(主要技术指标为：Fe2O3 4.32％、CaO1.38％、SiO2 9.36％、Al2O3 53.89％、Na2O 7.66％)装入加热炉3中，再向加热炉3中加入66kg生石灰(CaO)和58kg石英(SiO2)2，使混合料Al2O3：CaO质量比为0.80、Al2O3：SiO2质量比为0.80，将加热炉3升温至1350℃，使赤泥充分熔融；
步骤2、熔融后的赤泥温度控制为1100℃，时间为60min，将钠充分固溶进钙长石中，之后随管道流入超重力高温反应器4内；
步骤3、开启离心旋转控制超重力高温反应器4内部重力系数为G＝300、分离时间为10min对赤泥中的钙长石6及熔渣7进行分离，熔渣7通过多孔过滤板5(孔径为0.1mm)经出渣槽13流入渣包14，钙长石6被截留在超重力高温反应器4内部。
对富集在超重力高温反应器4内部的钙长石6和流入渣包14的熔渣7进行检测，其宏观形貌及SEM图如图4所示。由图4能够看出钙长石与熔渣实现了高效分离，且分离的钙长石与熔渣的纯度均非常高，分离的钙长石中没有任何夹渣，而分离的渣相中没有夹杂任何钙长石颗粒。
本实施例分离得到的钙长石与熔渣的EDS结果如图5所示。由图5可以发现几乎全部Na元素已充分固化进钙长石中，而渣相中仅能检测到微量Na元素。
利用与实施例1相同的测试方法对Na元素的含量及固化率进行检测，结果如下：本实施例分离得到的钙长石中Na元素的含量达到12.59％，熔渣中Na含量低至0.08％，钙长石中Na元素的固化率达到99.10％。
按照与实施例1相同的HJ 557-2010国家标准，分别对分离得到的钙长石与熔渣中Na的浸出性进行了检测，证实钙长石中Na的浸出率仅为0.04％，渣相中Na的浸出率仅为0.43％，远低于国家标准要求。
实施例3
与实施例1不同之处仅在于，步骤1中，向加热炉3中加入53kg生石灰(CaO)和25kg石英(SiO2)2，使混合料中Al2O3：CaO质量比为1.00、Al2O3：SiO2质量比为1.00，加热炉3升温至1400℃；步骤2中熔融后的赤泥温度控制为1000℃，时间为30min；步骤3中重力系数为G＝200，分离时间为30min。
结果：本实施例分离得到的钙长石中Na元素的含量达到11.53％，熔渣中Na含量低至0.15％，钙长石中Na元素的固化率达到98.75％。
按照与实施例1相同的HJ 557-2010国家标准，分别对分离得到的钙长石与熔渣中Na的浸出性进行了检测，证实钙长石中Na的浸出率仅为0.05％，渣相中Na的浸出率仅为0.53％，远低于国家标准要求。
实施例4
与实施例1不同之处仅在于，步骤1中，向加热炉3中加入112kg生石灰(CaO)和84kg石英(SiO2)2，使混合料中Al2O3：CaO质量比为0.50，Al2O3：SiO2质量比为0.50；步骤2中熔融后的赤泥温度控制为1150℃；步骤3中分离时间为1min。
结果：本实施例分离得到的钙长石中Na元素的含量达到11.28％，熔渣中Na含量低至0.16％，钙长石中Na元素的固化率达到98.29％。
按照与实施例1相同的HJ 557-2010国家标准，分别对分离得到的钙长石与熔渣中Na的浸出性进行了检测，证实钙长石中Na的浸出率仅为0.04％，渣相中Na的浸出率仅为0.45％，远低于国家标准要求。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种固化赤泥中钠元素的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将赤泥与CaO和SiO2的混合物加热至1300-1400℃熔融，得到熔融后的赤泥；
步骤2，将步骤1中所述熔融后的赤泥温度控制为1000-1150℃，时间为30-60min，将钠充分固溶进钙长石中，之后调整赤泥的重力系数G＝200-1000，对赤泥中的钙长石及熔渣进行分离；
步骤1中所述熔融后的赤泥中Al2O3和CaO的质量比为0.5-1:1；
步骤1中所述熔融后的赤泥中Al2O3与SiO2的质量比为0.5-1:1。
2.根据权利要求1所述的一种固化赤泥中钠元素的方法，其特征在于，步骤1中所述熔融后的赤泥中Al2O3和CaO的质量比为0.5-1:1。
3.根据权利要求1所述的一种固化赤泥中钠元素的方法，其特征在于，步骤1中所述熔融后的赤泥中Al2O3与SiO2的质量比为0.5-1:1。
4.根据权利要求1所述的一种固化赤泥中钠元素的方法，其特征在于，步骤1中所述赤泥为氧化铝工业生产过程产生的赤泥或选铁后赤泥。
5.根据权利要求1所述的一种固化赤泥中钠元素的方法，其特征在于，步骤2中所述分离的时间为1-30min。
6.一种固化赤泥中钠元素的设备，其特征在于，用于实现权利要求1-5任一项所述的方法，所述设备包括加热炉(3)、超重力高温反应器(4)、出渣槽(13)和渣包(14)；
所述加热炉(3)与所述超重力高温反应器(4)通过管路连接；所述超重力高温反应器(4)与所述出渣槽(13)之间通过多孔过滤板(5)相连通；所述出渣槽(13)与所述渣包(14)通过管路连接。
7.根据权利要求6所述的一种固化赤泥中钠元素的设备，其特征在于，所述超重力高温反应器(4)通过与热电偶(11)电连接的电阻丝(10)进行加热；所述超重力高温反应器(4)底部还设置有保温系统(12)。
8.根据权利要求6所述的一种固化赤泥中钠元素的设备，其特征在于，所述超重力高温反应器(4)底部设置有传动轮(9)；所述传动轮(9)由电动机(8)驱动。
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