浓浆重金属铁氧体稳定化技术研究

【摘要】传统重金属废水多以生成氢氧化物沉淀去除废水中的重金属，重金属废水处理后的污泥再以水泥进行固化处置。但水泥固化会导致固化体的体积过于庞大，有增容现象；重金属水泥固化体如长期处于酸性环境中，其中大量重金属氢氧化物易与H+反应而破坏固化体，导致重金属的反溶，带来重金属的污染。本文希望通过铁氧体固化/稳定化技术对重金属污泥进行直接稳定化，减少重金属固体废物对环境的损害；同时为了减少工艺流程、节约成本，将重金属固体废物的形态确定为浓浆状态，采用反应条件温和的化学共沉淀法铁氧体稳定化技术。通过采用化学共沉淀铁氧体稳定化技术对浓浆中的重金属直接进行稳定化，研究了投加Fe2+/H2O2、Fe2+/Fe3+和Fe2+/O2三种稳定化方法对二价重金属、三价重金属及其复合模拟浓浆稳定化的影响因素及作用机制，研究了投加Fe2+/Fe3+稳定化方法对实际重金属浓浆稳定化的影响因素及作用机制，从浸溶和淋溶两个方面探讨了浓浆重金属铁氧体稳定化产物的稳定性。研究结果表明三种方法均可对模拟浓浆中的重金属直接进行稳定化，Fe2+/Fe3+稳定化方法的稳定化效果最好。Fe2+/Fe3+稳定化方法对实际重金属浓浆的稳定化效果良好，其稳定化产物中的重金属不易反溶。作为氧化法铁氧体稳定化技术的氧化剂，H2O2与O2相比较，提高了氧化法的氧化效率，可有效降低氧化温度和缩短氧化时间，为浓浆重金属的直接稳定化提供了新的选择。确定和分析了最佳投加比例、投加量、pH值、温度、反应时间、浓浆含水率、陈化时间、投加碱的种类、浓浆中的阴离子等因素对Ni(OH)2、Cr(OH)3的单一及复合浓浆以及实际浓浆中重金属的稳定化效果。结果表明：Fe2+/H2O2、Fe2+/Fe3+有最佳投加比例；在最佳投加比例条件下，随着铁盐投加量的增加，浓浆重金属稳定化效果越好；pH值和温度对稳定化效果影响较大，在低温和酸性条件下不易生成铁氧体；随着含水率的降低，稳定化效果是逐渐变差的，主要是受传质的影响；陈化时间对稳定化效果影响不大；NaOH、Ca(OH)2和NH4OH三种碱物质调节反应体系pH值时，NH4OH和NaOH有利于重金属的稳定化，Ca(OH)2不利于重金属的稳定化；反应体系中的阴离子是Cl-和NO3-时有利于重金属的稳定化，SO42-不利于重金属的稳定化。对于Ni(OH)2浓浆，在Fe2+：Fe3+=1:7、Fe2+:H2O2=4:3、pH值为9、反应温度为70℃、反应时间为1h、铁盐投加量为摩尔比Fe:Ni=10:1的最佳条件下，向250ml含水率为99.8%的Ni(OH)2浓浆（Ni2+浓度为0.01mol/L）中投加Fe2+/H2O2、Fe2+/Fe3+和Fe2+/O2三种方法下，Ni2+的反溶率分别为27.13%、20.57%和60.04%。对于Cr(OH)3浓浆，在Fe2+：Fe3+=1:5、Fe2+:H2O2=5:2、pH值为9、反应时间为1h、反应温度为70℃、铁盐投加量为摩尔比Fe:Cr=10:1的最佳条件下，向250ml含水率为99.8%的Cr(OH)3浓浆（Cr3+浓度为0.01mol/L）中投加Fe2+/O2、Fe2+/H2O2、Fe2+/Fe3+三种方法下，Cr3+的反溶率分别为16.61%、13.83%和11.57%。对于Ni(OH)2和Cr(OH)3的复合浓浆，在Fe2+：Fe3+=1:5、Fe2+:H2O2=5:2、pH值为9、反应时间为1h、反应温度为70℃、铁盐投加量为摩尔比Fe:M=10:1的最佳条件下，向250ml含水率为99.8%的Ni(OH)2和Cr(OH)3复合浓浆（Ni3+和Cr3+浓度分别为0.01mol/L）中投加Fe2+/O2、Fe2+/H2O2、Fe2+/Fe3+三种情况下，Cr3+的反溶率分别为18.22%、17.68%和10.02%，Ni2+的反溶率分别为46.03%、28.94%和22.18%。对于实际浓浆，在Fe2+：Fe3+=1:5、pH值为9、反应温度为75℃、反应时间1h、铁盐投加量为摩尔比Fe:M=29:1的最佳条件下，向250ml含水率为99.8%的实际浓浆中投加Fe2+/Fe3+时，Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr3+、Cd2+和Pb2+的反溶率分别为23.91%、20.45%、35.55%、3.78%和23.71%。通过XRD、SEM、FTIR、VSM、TG-DTA等对稳定化产物进行表征，表明Fe2+/H2O2、Fe2+/Fe3+两种方法形成的铁氧体稳定化产物较好，投加Fe2+/O2较差，经过煅烧后，稳定化产物晶粒充分发育；通过VSM表征，Fe2+/Fe3+稳定化产物的磁性较强；通过对三种稳定化方法的产物沉降性能分析，发现投加Fe2+/Fe3+获得的稳定化产物沉降性能最好，投加Fe2+/H2O2次之，投加Fe2+/O2最差；热分析表明，在20℃-1200℃的加热过程中没有发现明显的吸热、放热变化，整个过程的失重模拟浓浆为10%、实际浓浆为30%左右。通过静态浸溶实验，研究了浸出时间、pH值、振速、温度等因素对重金属浓浆稳定化产物中重金属的浸出影响。结果表明：稳定化产物中重金属的浸出随时间变化不大；稳定化产物中重金属的浸出受pH值的影响较大，在pH<5之后，重金属浸出率明显增加；稳定化产物中的重金属的浸出率总体随振速的影响不大，如Cr3+和Cu2+的浸出率分别从振速为100r/min时的2.24%和3.92%变为振速为500r/min时的2.45%和5.62%，表明在4h的反应时间条件下转速对重金属的浸出影响不大；稳定化产物中的重金属Pb2+、Ni2+、Cd2+和Zn2+的浸出率总体随浸出温度的增大呈上升趋势，分别从20℃时的13.25%、11.63%、9.35%和8.06%变为40℃时的19.00%、17.14%、17.93%和18.71%，表明Pb2+、Ni2+、Cd2+和Zn2+的浸出率受温度的影响较大；稳定化产物中的重金属Cr3+和Cu2+的浸出率总体随浸出温度的增大变化不大，分别从20℃时的3.28%和4.73%变为40℃时的3.82%和3.55%。通过下流式循环柱淋滤系统研究了稳定化产物的动态淋滤特性，在pH值为3.8和6.0两种模式下，重金属的淋出差别不是很大，并且在最初的时间段内重金属的淋出量已基本稳定，后续受时间的影响不大，表明稳定化产物比较稳定。在pH值为3.8时，在最初8h淋溶条件下，Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr3+、Cd2+和Pb2+6种重金属离子的淋出率分别为3.69%、12.15%、6.77%、1.59%、15.87%和11.76%；在pH值为6.0时，在最初8h淋溶条件下，Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr3+、Cd2+和Pb2+6种重金属离子的淋出率即为0.49%、6.76%、2.35%、0.10%、15.97%和12.01%。动态淋滤与静态浸溶结果相吻合。
【作者】宋小三；
【导师】王三反；
【作者基本信息】兰州交通大学，市政工程，2014，博士
【关键词】浓浆；重金属；稳定化；铁氧体；

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