CN114805153B - 一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂及其制备方法和应用，属于螯合剂制备技术领域。本发明公开了一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂，该螯合剂中增加了螯合位点，与福美钠类螯合剂平行对比，螯合剂能够与更多的重金属进行配位螯合，从而使得生活垃圾焚烧飞灰中的重金属固化效果得到明显的提升，最终实现生活垃圾焚烧飞灰螯合固化处理；另外，本发明的多螯合位点大分子飞灰螯合剂的制备方法简单、容易操作，制备过程中反应的副产物也可以作为螯合剂使用，因此在制备到使用过程中可以不需分离提纯，应用方便快捷。
Description
技术领域
本发明属于螯合剂制备技术领域，涉及一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂及其制备方法和应用。
背景技术
目前我国城市生活垃圾的处置方式以直接填埋、焚烧为主，直接填埋法不仅会占用大量的土地资源，而且会产生大量的垃圾渗滤液，污染附近土壤及地下水。焚烧法能够有效改善直接填埋法的不足之处，城市生活垃圾经焚烧后质量和体积大大降低，有机物质被销毁，焚烧产生的热量可发电或供暖，可以达到废物资源化利用的目的，因此焚烧法逐渐成为城市生活垃圾的主流处置方法。但城市生活垃圾焚烧后产生的飞灰(约占入炉垃圾量的2％～5％)，会含有高浓度的重金属和二噁英，在《国家危废名录》中属于危险废物，代号HW-18。目前垃圾焚烧飞灰的主要处置方式是通过添加化学药剂进行螯合固化后送入垃圾填埋场分区填埋。
飞灰螯合固化主要是通过添加化学药剂吸附、交换、螯合、氧化还原飞灰中的重金属离子，使重金属离子转化成低溶解性、低迁移性及低毒性的物质，防止其释放到环境中造成污染。常用的化学稳定剂分无机和有机两大类，其中无机螯合剂用量大，螯合产物对酸性环境适应性弱，螯合后的重金属容易二次浸出，长期稳定性差。有机螯合剂可以弥补无机螯合剂添加量大、长期稳定性差的缺陷。现有的市场上应用较成熟的两种有机螯合剂为福美钠类及哌嗪类螯合剂，二者均为小分子螯合剂，螯合后的螯合物为絮状沉淀，其中福美钠类分子中只有一个螯合位点，哌嗪类分子中有两个螯合位点，经过试验研究对比发现，达到相同的重金属螯合效果时，哌嗪类螯合剂的用量比福美钠类低，相同情况下用量降低约30％。但哌嗪易制毒，属于管制药品，且价格较高，限制了其工业化应用。
研究表明，螯合剂的螯合点位越多，螯合能力就越强，从而单位质量飞灰所需螯合剂的用量就越低。为了降低螯合处理成本，需要提高螯合剂的螯合能力，有必要对螯合剂的分子结构进行设计，制备出一种多螯合位点的大分子飞灰螯合剂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂；本发明的目的之二在于提供一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂的制备方法；本发明的目的之三在于提供一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂在生活垃圾焚烧飞灰螯合固化处理方面的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1.一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂，所述螯合剂的结构为：
其中，n为1～100的整数、R1和R2为分别为脂肪烃或者芳香烃。
优选的，所述脂肪烃为含有2～20个碳的烷烃。
优选的，所述芳香烃为含有苯环的芳香烃。
2.上述螯合剂的制备方法，所述制备方法的反应式如下所示：
优选的，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在装有搅拌杆、温度计、滴液漏斗的反应瓶中，加入水，开启搅拌后依次加入液碱和聚醚胺，外用水浴冷至瓶内温度不高于15℃，滴加二硫化碳，控制反应温度为15～45℃；
(2)二硫化碳滴加完毕后，保持水浴冷却继续搅拌反应，至反应溶液的pH为8～10、反应体系为淡黄色至草绿色时停止反应，即可得到多螯合位点大分子飞灰螯合剂。
进一步优选的，所述聚醚胺与液碱中的氢氧化钠的摩尔比为1:1～2；
所述聚醚胺和二硫化碳的摩尔比为1:3.5～3.9。
进一步优选的，所述聚醚胺与液碱中的氢氧化钠的摩尔比为1:1.2。
优选的，所述反应溶液中水的百分含量为40％～60％。
进一步优选的，所述聚醚胺的结构式为
3.上述螯合剂在生活垃圾焚烧飞灰螯合固化处理方面的应用。
本发明的有益效果在于：本发明公开了一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂，该螯合剂采用聚醚胺(聚醚胺中含有氧原子，氧原子上的孤对电子也能够与重金属原子形成共价键，对重金属的固化有协同作用)进行制备从而增加了螯合剂上的螯合位点，与福美钠类螯合剂平行对比，螯合剂能够与更多的重金属进行配位螯合，从而使得生活垃圾焚烧飞灰中的重金属固化效果得到明显的提升，最终实现生活垃圾焚烧飞灰无害化处理；另外，本发明的多螯合位点大分子飞灰螯合剂的制备方法简单、容易操作，制备过程中反应的副产物也可以作为螯合剂使用，因此在制备到使用过程中可以不需分离提纯，应用方便快捷。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
通过以下反应式来制备多螯合位点大分子飞灰螯合剂：
其中，n为1～100的整数、R1和R2分别为为脂肪烃或者芳香烃。
实施例1
一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂，具体按照如下方法制备：
(1)在装有搅拌杆、温度计、滴液漏斗的反应瓶中，加入水(加入水的量保证后续反应液中水的百分含量为40％)，开启搅拌后按照1:1.1的摩尔比依次加入聚醚胺(其中聚醚胺的结构式为其中分子量为104-5000，n为1-100的整数)和液碱，外用水浴冷至瓶内温度不高于15℃后滴加二硫化碳(其中添加的聚醚胺和二硫化碳的摩尔比为1:3.9)，控制反应温度为15℃；
(2)二硫化碳滴加完毕后，保持水浴冷却继续搅拌反应2h至反应溶液的pH为8、反应体系从淡黄色变成草绿色(有较多晶体析出)时停止反应，过滤、干燥即可得到多螯合位点大分子飞灰螯合剂，具体结构如下所示：
其中n为1-100的整数。
实施例2
一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂，具体按照如下方法制备：
(1)在装有搅拌杆、温度计、滴液漏斗的反应瓶中，加入水(加入水的量保证后续反应液中水的百分含量为45％)，开启搅拌后按照1:2的摩尔比依次加入聚醚胺(其中聚醚胺的结构式为其中分子量132-5000，n为1-85的整数)和液碱，外用水浴冷至瓶内温度不高于15℃，滴加二硫化碳(其中聚醚胺和二硫化碳的摩尔比为1:3.8)，控制反应温度为25℃；
(2)二硫化碳滴加完毕后，保持水浴冷却继续搅拌反应2h至反应溶液的pH为10、反应体系从淡黄色变成草绿色(有较多晶体析出)时停止反应，过滤、干燥即可得到多螯合位点大分子飞灰螯合剂，具体结构如下所示：
其中n为1-85的整数。
实施例3
一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂，具体按照如下方法制备：
(1)在装有搅拌杆、温度计、滴液漏斗的反应瓶中，加入水(加入水的量保证后续反应液中水的百分含量为60％)，开启搅拌后按照1:1.2的摩尔比依次加入聚醚胺(其中聚醚胺的结构式为其中分子量176-5000，n为1-48的整数)和液碱，外用水浴冷至瓶内温度不高于15℃，滴加二硫化碳(其中聚醚胺和二硫化碳的摩尔比为1:3.7)，控制反应温度为30℃；
(2)二硫化碳滴加完毕后，保持水浴冷却继续搅拌反应1.5h至反应溶液的pH为9、反应体系从淡黄色变成草绿色(有较多晶体析出)时停止反应，过滤、干燥即可得到多螯合位点大分子飞灰螯合剂，具体结构如下所示：
其中n为1-48的整数。
实施例4
一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂，具体按照如下方法制备：
(1)在装有搅拌杆、温度计、滴液漏斗的反应瓶中，加入水(加入水的量保证后续反应液中水的百分含量为45％)，开启搅拌后按照1:1.2的摩尔比依次加入聚醚胺(其中聚醚胺的结构式为其中分子量160-5000，n为1-68的整数)和液碱，外用水浴冷至瓶内温度不高于15℃，滴加二硫化碳(其中聚醚胺和二硫化碳的摩尔比为1:3.6)，控制反应温度为35℃；
(2)二硫化碳滴加完毕后，保持水浴冷却继续搅拌反应1.5h至反应溶液的pH为9、反应体系从淡黄色变成草绿色(有较多晶体析出)时停止反应，过滤、干燥即可得到多螯合位点大分子飞灰螯合剂，具体结构如下所示：
其中n为1-68的整数。
实施例5
一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂，具体按照如下方法制备：
(1)在装有搅拌杆、温度计、滴液漏斗的反应瓶中，加入水(加入水的量保证后续反应液中水的百分含量为40％)，开启搅拌后按照1:1.2的摩尔比依次加入聚醚胺(其中聚醚胺的结构式为其中分子量314-5000，n为1-16)和液碱，外用水浴冷至瓶内温度不高于15℃，滴加二硫化碳(其中聚醚胺和二硫化碳的摩尔比为1:3.5)，控制反应温度为45℃；
(2)二硫化碳滴加完毕后，保持水浴冷却继续搅拌反应1h，至反应溶液的pH为8、反应体系从淡黄色变成草绿色(有较多晶体析出)时停止反应，过滤、干燥即可得到多螯合位点大分子飞灰螯合剂，具体结构如下所示：
其中n为1-16。
性能测试
将实施例1～5中制备的多螯合位点大分子飞灰螯合剂和现有技术中的福美钠作为螯合剂用于生活垃圾焚烧飞灰螯合固化处理，添加量为2％，另外同样按照1％的量添加实施例2中制备的螯合剂进行对比，按照HJ/T制备，处理后浸出液中各个重金属离子的含量如表1所示：
表1不同螯合剂处理后浸出液中各个重金属离子的含量
从表1的结果可以看出，本发明制备的多螯合位点大分子飞灰螯合剂能够满足处理要求，相比于现有技术中的螯合剂福美钠，能够进一步降低处理后浸出液中重金属的浓度。本发明制备出的飞灰螯合剂能够较好地与飞灰中的不同重金属进行螯合，与福美钠平行对比，螯合效果明显优于福美钠；各实施例相互对比发现，实施例2中的螯合效果最优，各重金属的浸出浓度均为最低，实施例2添加量为1％时，重金属螯合效果也比福美钠添加量为2％时的螯合效果好，说明达到同等的螯合效果，用量更少。
综上所述，本发明公开了一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂，该螯合剂采用聚醚胺(聚醚胺中含有氧原子，氧原子上的孤对电子也能够与重金属形成共价键，对重金属的固化有协同作用)进行制备从而增加了螯合剂上的螯合位点，与福美钠类螯合剂平行对比，螯合剂能够与更多的重金属进行配位螯合，达到同等垃圾焚烧飞灰重金属固化效果需要的螯合剂的用量更少，从而使得生活垃圾焚烧飞灰中的重金属固化效果得到明显的提升，最终实现生活垃圾焚烧飞灰螯合固化处理；另外，本发明的多螯合位点大分子飞灰螯合剂的制备方法简单、容易操作，制备过程中反应的副产物也可以作用螯合剂使用，因此在制备到使用过程中可以不需分离提纯，应用方便快捷。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种多螯合位点大分子飞灰螯合剂，其特征在于，所述螯合剂包括螯合剂1～螯合剂5中的任意一种，螯合剂1的结构为：其中n为1-100的整数；
螯合剂2的结构为：
其中n为1-85的整数；
螯合剂3的结构为：
其中n为1-48的整数
螯合剂4的结构为：
其中n为1-68的整数；
螯合剂5的结构为：
其中n为1-16。
2.权利要求1所述螯合剂的的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在装有搅拌杆、温度计、滴液漏斗的反应瓶中，加入水，开启搅拌后依次加入液碱和聚醚胺，外用水浴冷至瓶内温度不高于15℃，滴加二硫化碳，控制反应温度为15～45℃；
(2)二硫化碳滴加完毕后，保持水浴冷却继续搅拌反应，至反应溶液的pH为8～10、反应体系为淡黄色至草绿色时停止反应，即可得到多螯合位点大分子飞灰螯合剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚醚胺与液碱中的氢氧化钠的摩尔比为1:1～2；所述聚醚胺和二硫化碳的摩尔比为1:3.5～3.9。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚醚胺与液碱中的氢氧化钠的摩尔比为1:1.2。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述反应溶液中水的百分含量为40％～60％。
6.权利要求1所述螯合剂在生活垃圾焚烧飞灰螯合固化处理方面的应用。
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