CN114524462A - 一种利用垃圾焚烧飞灰和铁尾矿制备高铁酸钾和胶凝材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用垃圾焚烧飞灰和铁尾矿制备高铁酸钾和胶凝材料的方法，包括：(1)将铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰混合，加水，得到飞灰铁尾矿混合浆；(2)将飞灰铁尾矿混合浆置于电解槽的阳极室，接通电源电解，电解结束后，电解槽的阳极室和阴极室分别获得电解氧化浆和电解后的阴极液；(3)将电解氧化浆离心、过滤，得到高铁酸根粗液和酸性铁灰泥；(4)将氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液和高铁酸根粗液混合搅拌，过滤，得到高铁酸钾溶液和碳酸根滤渣；(5)将电解后的阴极液、酸性铁灰泥和碳酸根滤渣混匀，烘干，活化，得到胶凝材料。本发明协同利用垃圾焚烧飞灰和铁尾矿制备出了高铁酸钾和胶凝材料，实现了对危险废弃物的资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及固体废弃物的资源化再利用，尤其涉及一种利用垃圾焚烧飞灰和铁尾矿制备高铁酸钾和胶凝材料的方法。
背景技术
铁尾矿属于固体废弃物，是铁矿经精选提选后剩余的固体废料。中国铁矿存储量及钢铁产量均居世界前列，每年产生大量的铁尾矿。若任由铁尾矿直接堆砌在自然环境中，会对矿区周边土壤及水体产生严重的环境影响。铁尾矿综合利用是目前国家大力提倡的方向。因铁尾矿中含有大量SiO2、Al2O3、FexOy矿物，其被广泛应用于水泥混凝土、加气混凝土、路基材料、微晶玻璃等建材产物的生产。目前铁尾矿的利用主要限于其所含的硅酸盐和硅铝酸盐，但对于FexOy矿物利用率较低。
生活垃圾焚烧飞灰中含有重金属和二噁英，属于一种危险废弃物。同时，生活垃圾焚烧飞灰属于一种强碱性物质，含有大量的钙基材料。生活垃圾焚烧飞灰与铁尾矿成分互补，非常有利于协同制备高附加值产物，但目前针对二者的协同利用并未有研究报道。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种协同利用垃圾焚烧飞灰和铁尾矿制备高附加值产物的方法，在实现资源化利用的同时，制备出了高铁酸钾以及具有较高活性的胶凝材料。
技术方案：本发明所述的一种利用垃圾焚烧飞灰和铁尾矿制备高铁酸钾和胶凝材料的方法，包括以下步骤：
(1)将铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰混合，加水搅拌均为，得到飞灰铁尾矿混合浆；
(2)将飞灰铁尾矿混合浆置于电解槽的阳极室，启动直流电源，电解飞灰铁尾矿混合浆，电解结束后，电解槽的阳极室和阴极室分别获得电解氧化浆和电解后的阴极液；
(3)将电解氧化浆离心、过滤，得到高铁酸根粗液和酸性铁灰泥；
(4)将氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液和高铁酸根粗液混合搅拌10～30min，过滤，得到高铁酸钾溶液和碳酸根滤渣；
(5)将电解后的阴极液、酸性铁灰泥和碳酸根滤渣混匀，50～150℃下烘干，活化，研磨，得到胶凝材料。
综合考虑所得产物的性能以及成本，其中，所述步骤(1)中铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰的质量比为0.45～1.8:1，进一步优选为0.5～1.6:1；所述水与铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰混合物的液固比为1～3mL/g。
所述步骤(2)中电解的时间为1～5h，电流阈值为50～1050A，电压阈值为20～200V。
所述步骤(4)中氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液和高铁酸根粗液的体积比为15～45:15～45:100；所述氢氧化钾溶液和碳酸钾溶液的浓度均为2～12mol/L。
所述步骤(5)中活化的温度为900～1400℃，进一步优选为1000～1300℃；活化的时间为20～60min。
将铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰加入水中，混合、搅拌过程中垃圾焚烧飞灰中的氯离子、钠离子、钾离子溶解到飞灰铁尾矿混合浆中。接通电源后，飞灰铁尾矿混合浆中氯离子在阳极表面失去电子转化为氯气，氯气溶于水中水解生成次氯酸。同时，水在阳极表面失去电子转化为氧气和氢离子。氢离子可溶解飞灰铁尾矿混合浆含铁矿物，促进二价铁离子和三价铁离子的高效浸出，同时促进飞灰铁尾矿混合浆中部分硅酸盐、硅铝酸盐、氧化镁溶解并形成硅铝镁溶胶。阳极液中的次氯酸不仅可以将二价铁离子和三价铁离子转化为高铁酸根，同时还可以提高硅铝镁溶胶胶凝活性。接通电源后，水分子在阴极表面得到电子生成氢氧根，氢氧根与迁移至阴极的钠、钾离子结合生成氢氧化钠和氢氧化钾。将电解氧化浆离心、过滤，得到高铁酸根粗液和酸性铁灰泥。混合氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液、高铁酸根粗液，搅拌过程中碳酸根与高铁酸根粗液中的钙、铁离子及镁离子结合生成相应碳酸盐沉淀物，高铁酸根粗液中的高铁酸根与氢氧化钾及碳酸钾中释放的钾离子结合，生成高铁酸钾。混合搅拌碳酸根滤渣、酸性铁灰泥、阴极液，在高温活化及碱激发作用下，生成铁氧化物、镁氧化物、铁铝酸四钙、硅酸铝钙、硅酸三钙、铝酸三钙等高活性物质。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点是：(1)本发明协同利用垃圾焚烧飞灰和铁尾矿制备出了高铁酸钾和胶凝材料，实现了对危险废弃物的资源化利用；(2)制备工艺简单，解决了传统方法需要添加氧化剂制备高铁酸钾的问题，且所制备的高铁酸钾铁转化率最高为96.75％；(3)本发明仅通过充分利用铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰中固有成分制备活性胶凝材料，无需额外添加碱激发剂或其它活性胶凝成分，所制备的胶凝材料解决了传统飞灰基胶凝材料氯含量高的问题，氯去除率最高为98.04％，且所制备材料胶凝活性高，最高强度可达38.72MPa。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰质量比对高铁酸钾铁转化率和胶凝材料氯脱除率和胶凝活性影响
高铁酸钾和胶凝材料的制备：如图1所示，按照质量比为0.25:1、0.35:1、0.45:1、0.5:1、1.0:1、1.5:1、1.6:1、1.8:1、2.0:1分别将铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰混合，加水搅拌均匀，得到飞灰铁尾矿混合浆，其中水与铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰混合物的液固比为1:1mL/g；将飞灰铁尾矿混合浆置于电解槽阳极室，启动直流电源进行电解5小时，其中电流阈值设置为50A，电压阈值设置为20V，电解结束后，从电解槽的阳极室和阴极室中分别获得电解氧化浆和电解后的阴极液；将电解氧化浆离心、过滤，得到高铁酸根粗液和酸性铁灰泥；按照体积比为15:15:100将氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液和高铁酸根粗液混合，搅拌10分钟，随后过滤得到高铁酸钾溶液和碳酸根滤渣，其中氢氧化钾溶液和碳酸钾溶液的浓度均为2mol/L；混合上述获得的碳酸根滤渣、酸性铁灰泥、电解后的阴极液，搅拌均匀，置于50℃温度条件下烘干，再置于1000℃条件下高温活化20分钟，研磨，得到胶凝材料。
强度性能测试：将本发明制备的胶凝材料制成受检胶砂，胶砂的制备、试件的制备、试件的养护、试件龄期的选择及试件28天抗压强度(P28，MPa)的测量均依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T 17671-1999标准执行。试件制备所掺沙采用《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T 17671-1999规定的ISO标准沙。
氯含量的测定：垃圾焚烧飞灰中氯含量按照《建筑用砂》(GB/T 14684-2011)进行测定。
氯去除率计算：氯去除率按照公式(1)计算，其中cCl0和cClt分别为垃圾焚烧飞灰中氯含量和胶凝材料中氯含量。试验结果见表1。
三价铁及高铁酸根浓度检测：高铁酸钾溶液中三价铁离子浓度按照《水质铁、锰的测定火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 11911-1989)进行测定。高铁酸钾溶液中高铁酸根的浓度按照2'-联氨-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid，ABTS)显色分光光度法进行检测(具体参考《高铁酸钾的制备及去除水中铊、吲哚和处理污水厂污泥的效果与机理》执行)。
铁转化率计算：铁转化率按照公式(2)计算，其中RFe为铁转化率，cFe0和cFet分别为三价铁离子初始浓度及高铁酸根浓度(mg/L)。试验结果见表1。
表1铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰质量比对高铁酸钾铁转化率和胶凝材料氯脱除率和胶凝活性影响
由表1可知，当铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰质量比小于0.5:1(当铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰质量比＝0.45:1、0.35:1、0.25:1以及表1中未列举的更低比值)，铁尾矿粉末掺量较少，使得可溶解出的含铁矿物减少，硅铝镁溶胶减少，导致所制备的胶凝材料抗压强度随着铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰质量比减小显著降低。当铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰质量比等于0.5～1.5:1(当铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰质量比＝0.5:1、1.0:1、1.5:1)，将铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰加入水中，混合、搅拌过程中垃圾焚烧飞灰中的氯离子、钠离子、钾离子溶解到飞灰铁尾矿混合浆中。接通电源后，水分子在阴极表面得到电子生成氢氧根，氢氧根与迁移至阴极的钠、钾离子结合生成氢氧化钠和氢氧化钾。混合搅拌碳酸根滤渣、酸性铁灰泥、阴极液，在高温活化及碱激发作用下，生成铁氧化物、镁氧化物、铁铝酸四钙、硅酸铝钙、硅酸三钙、铝酸三钙等高活性物质。最终，胶凝材料抗压强度均显著高于26MPa。当铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰质量比大于1.5:1(当铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰质量比＝1.6:1、1.8:1、2.0:1以及表1中未列举的更高比值)，铁尾矿粉末掺入过多，使得高温活化及碱激发作用下铁铝酸四钙、硅酸铝钙、硅酸三钙、铝酸三钙等高活性物质生成量减少，导致所制备的胶凝材料抗压强度随着铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰质量比进一步增加而显著降低。总体而言，结合效益与成本，当铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰质量比等于0.5～1.5:1时，最有利于提高高铁酸钾铁转化率和胶凝材料氯脱除率和胶凝活性。
实施例2
氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液和高铁酸根粗液的体积比对高铁酸钾铁转化率和胶凝材料氯脱除率和胶凝活性影响
高铁酸钾和胶凝材料的制备：按照质量比为1.5:1将铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰混合，加水搅拌均匀，得到飞灰铁尾矿混合浆，其中水与铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰混合物的液固比为2:1mL/g；将飞灰铁尾矿混合浆置于电解槽阳极室，启动直流电源进行电解3小时，其中电流阈值设置为550A，电压阈值设置为110V，电解结束后，从电解槽的阳极室和阴极室中分别获得电解氧化浆和电解后的阴极液；将电解氧化浆离心、过滤，得到高铁酸根粗液和酸性铁灰泥；按照体积比为15:15:100、15:30:100、15:45:100、30:15:100、30:30:100、30:45:100、45:15:100、45:30:100、45:45:100分别将氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液和高铁酸根粗液混合，搅拌20分钟，随后过滤得到高铁酸钾溶液和碳酸根滤渣，其中氢氧化钾溶液和碳酸钾溶液的浓度均为7mol/L；混合上述获得的碳酸根滤渣、酸性铁灰泥、电解后的阴极液，搅拌均匀，置于100℃温度条件下烘干，再置于1150℃条件下高温活化40分钟，研磨，得到胶凝材料。
强度性能测试、氯含量的测定、氯去除率计算、三价铁及高铁酸根浓度检测、铁转化率计算均同实施例1，试验结果见表2。
表2氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液、高铁酸根粗液体积比对高铁酸钾铁转化率和胶凝材料氯脱除率和胶凝活性影响
由表2可知，混合氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液、高铁酸根粗液，搅拌过程中碳酸根与高铁酸根粗液中的钙、铁离子及镁离子结合生成相应碳酸盐沉淀物，高铁酸根粗液中的高铁酸根与氢氧化钾及碳酸钾中释放的钾离子结合，生成高铁酸钾。最终，高铁酸钾溶液铁转化率均高于89％，胶凝材料氯去除率均高于93％，胶凝材料抗压强度均高于31MPa。
实施例3
活化温度对高铁酸钾铁转化率和胶凝材料氯脱除率和胶凝活性影响
高铁酸钾和胶凝材料的制备：按照质量比为1.5:1将铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰混合，加水搅拌均匀，得到飞灰铁尾矿混合浆，其中水与铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰混合物的液固比为3:1mL/g；将飞灰铁尾矿混合浆置于电解槽阳极室，启动直流电源进行电解1小时，其中电流阈值设置为1050A，电压阈值设置为200V，电解结束后，从电解槽的阳极室和阴极室中分别获得电解氧化浆和电解后的阴极液；将电解氧化浆离心、过滤，得到高铁酸根粗液和酸性铁灰泥；按照体积比为45:45:100将氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液和高铁酸根粗液混合，搅拌30分钟，随后过滤得到高铁酸钾溶液和碳酸根滤渣，其中氢氧化钾溶液和碳酸钾溶液的浓度均为12mol/L；混合上述获得的碳酸根滤渣、酸性铁灰泥、电解后的阴极液，搅拌均匀，置于150℃温度条件下烘干，再分别置于750℃、800℃、900℃、1000℃、1150℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃条件下高温活化60分钟，研磨，得到胶凝材料。
强度性能测试、氯含量的测定、氯去除率计算、三价铁及高铁酸根浓度检测、铁转化率计算均同实施例1，试验结果见表3。
表3活化温度对高铁酸钾铁转化率和胶凝材料氯脱除率和胶凝活性影响
由表3可知，高铁酸钾铁转化率均高于94％，胶凝材料氯去除率均高于96％。当高温活化温度小于1000℃(当高温活化温度＝900℃、800℃、750℃以及表3中未列举的更低值)，高温活化及碱激发作用较弱，生成的铁氧化物、镁氧化物、铁铝酸四钙、硅酸铝钙、硅酸三钙、铝酸三钙等高活性物质较少，胶凝材料抗压强度随着高温活化温度降低而显著降低。当高温活化温度等于1000～1300℃(当高温活化温度＝1000℃、1150℃、1300℃)，混合搅拌碳酸根滤渣、酸性铁灰泥、阴极液，在高温活化及碱激发作用下，生成铁氧化物、镁氧化物、铁铝酸四钙、硅酸铝钙、硅酸三钙、铝酸三钙等高活性物质。最终，胶凝材料抗压强度均显著高于33MPa。当高温活化温度大于1300℃(当高温活化温度＝1350℃、1400℃、1450℃以及表3中未列举的更高值)，活化温度过高，胶凝材料过烧，胶凝材料活性降低，胶凝材料抗压强度随着高温活化温度进一步增加显著降低。总体而言，结合效益与成本，当高温活化温度等于1000～1300℃时，最有利于提高高铁酸钾铁转化率和胶凝材料氯脱除率和胶凝活性。
Claims (9)
1.一种利用垃圾焚烧飞灰和铁尾矿制备高铁酸钾和胶凝材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰混合，加水，得到飞灰铁尾矿混合浆；
(2)将飞灰铁尾矿混合浆置于电解槽的阳极室，接通电源，电解飞灰铁尾矿混合浆，电解结束后，电解槽的阳极室和阴极室分别获得电解氧化浆和电解后的阴极液；
(3)将电解氧化浆离心、过滤，得到高铁酸根粗液和酸性铁灰泥；
(4)将氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液和高铁酸根粗液混合搅拌，过滤，得到高铁酸钾溶液和碳酸根滤渣；
(5)将电解后的阴极液、酸性铁灰泥和碳酸根滤渣混匀，烘干，活化，得到胶凝材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰的质量比为0.45～1.8:1。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰的质量比为0.5～1.6:1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液和高铁酸根粗液的体积比为15～45:15～45:100。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中活化的温度为900～1400℃，活化的时间为20～60min。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述活化的温度为1000～1300℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中水与铁尾矿粉末和垃圾焚烧飞灰混合物的液固比为1～3mL/g。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中电解的时间为1～5h，电流阈值为50～1050A，电压阈值为20～200V。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中氢氧化钾溶液和碳酸钾溶液的浓度均为2～12mol/L。
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