CN104059714B - 一种以含铁冶金尘泥为主要原料制备Fe2O3/Al2O3载氧体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以含铁冶金尘泥为主要原料制备Fe2O3/Al2O3载氧体的方法，属于固体废弃物利用技术领域。该方法通过酸解和pH调节的溶胶凝胶方法在含铁冶金尘泥中得到含有Fe-Al粒子的溶液，将该溶液氧化得到复合粒子溶液，以此为Fe-Al源进行pH调节，产生两种元素的氢氧化物沉淀，最后在氧气或者空气气氛下焙烧生成Fe2O3/Al2O3载氧体。与传统方法相比，该方法制备Fe2O3/Al2O3载氧体具有较好的载氧能力和循环性能，而且所用的Fe、Al元素均来自钢铁企业中的含铁冶金尘泥，从而克服了现有技术单纯依赖化学试剂的局限，在降低制备成本的同时，也为含铁冶金尘泥资源高附加值利用提供了新途径。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物利用技术领域，具体涉及一种以含铁冶金尘泥为主要原料制备Fe2O3/Al2O3载氧体的方法。
背景技术
Fe2O3/Al2O3载氧体是化学链燃烧动力***中一种新型载氧体材料，与其它载氧率低、易受硫化物污染以及对环境造成重金属污染等载氧体相比，由于其具有较高的传氧能力和还原反应速率，并且在循环周期内保持了良好的反应性，不易产生二次污染等优点，因而成为当前以金属氧化物(Fe、Ni、Cu、Co、Mn等)为代表的载氧体的研究热点。据文献报道，目前Fe2O3/Al2O3载氧体的制备主要集中在两个方面，一方面是利用一次资源制备并进行性能研究，代表性的如铁矿石，此外成分中含有Fe2O3和Al2O3的铝土矿也适于制备Fe2O3/Al2O3载氧体；另外一方面是采用化学试剂合成工艺制备Fe2O3/Al2O3载氧体，也具有较好的反应性和耐烧结性。经检索，目前国内外基于试验研究和商业化的Fe2O3/Al2O3载氧体材料都是以化学试剂或一次矿产资源为原材料制备的，基于含铁冶金尘泥制备Fe2O3/Al2O3载氧体的技术尚未见报道。
冶金尘泥是钢铁工业主要废弃物之一，一般为钢产量的0.5％～2％，主要来自于钢铁冶炼各工序的除尘和废水治理工艺，种类包括高炉瓦斯灰(泥)、转炉污泥、电(转)炉除尘灰、冷(热)轧污泥等，除含有大量的Fe(30％～60％)外，还含有Ca、Al、Si、Mg等以及多种少量、微量过渡金属元素(Zn、Mn、Ni、Mo、V及Cr等)，是一种价值很高的冶金二次资源。这些收集到的冶金尘泥如果利 用不当，不仅浪费了宝贵的二次资源，还会造成严重的环境污染。目前，关于含铁冶金尘泥最普遍的利用途径是返回钢铁生产以回收其中的Fe，然而，由于各种冶金尘泥产生的条件不同，其成分和特性差异较大，大量返回钢铁生产不仅带来配料困难，而且导致有害元素恶性循环富集。而将尘泥用于制备建筑陶瓷材料虽然实现了尘泥的大宗量利用，但属于粗放型利用，未能物尽其用的利用该类尘泥中有价组分及宝贵的微量元素资源，使之不能体现其高附加值。
含铁冶金尘泥中的Fe和Al正是制备Fe2O3/Al2O3载氧体所需的主体元素。这些元素在尘泥中均以氧化物形式存在，可以通过溶胶凝胶的方法在尘泥酸解液中形成Fe-Al的共沉淀物，而且其在尘泥组织中的走向、沉淀等动力学行为受相应的物理化学条件支配，Fe-Al的成分是可控的。此外，尘泥中的Fe-Al的量比满足制备Fe2O3/Al2O3载氧体对两种元素量的要求。因此，含铁冶金尘泥具备元素提取、沉淀分离并用以制备Fe2O3/Al2O3载氧体的基础。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种以含铁冶金尘泥为主要原料制备Fe2O3/Al2O3载氧体的方法，以期克服制备Fe2O3/Al2O3载氧体的原料单纯依赖化学试剂的局限，为钢铁冶金尘泥资源高附加值利用提供新途径。
为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明提供了一种以含铁冶金尘泥为主要原料制备Fe2O3/Al2O3载氧体的方法，该方法具体步骤如下：
本发明提供了一种以含铁冶金尘泥为主要原料制备Fe2O3/Al2O3载氧体的方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
(1)首先对含铁冶金尘泥进行球磨，使样品粒度小于200目，然后将该含 铁冶金尘泥使用盐酸酸解，酸解液的pH值在3～4之间，过滤除去未溶解的残渣，之后加硫酸调节pH值至1～2，加热使溶液温度升高到80～90℃，反应2～3h，使溶液中的Ca粒子以CaSO4沉淀的形式析出，然后对过滤除去CaSO4后的溶液滴加双氧水，使得溶液中Fe2+充分的氧化为Fe3+，之后滴加氨水调节pH值，使Fe和Al元素以氢氧化物沉淀形式析出，过滤烘干得到Fe2O3/Al2O3载氧体的前驱体；
(2)将步骤(1)制备的Fe2O3/Al2O3载氧体的前驱体放入马弗炉中煅烧至800～850℃，保温1～1.5h，最后得到本发明目标产物：Fe2O3/Al2O3载氧体。
作为一种优化，所述步骤(1)中：加硫酸调节pH值至1，加热使溶液升高到80℃，反应2h；所述步骤(2)中：将前驱体放入马弗炉中煅烧至850℃，保温1h。
上述盐酸和硫酸溶液均为分析纯试剂，上述含铁冶金尘泥是钢铁冶炼各工艺的除尘和废水治理工序中收集到的尘泥，包括高炉瓦斯灰(泥)、转炉污泥和电(转)炉除尘灰等。
本发明以含铁冶金尘泥提取物为主要原料制备Fe2O3/Al2O3载氧体的方法，其技术关键是通过溶胶凝胶的方法从冶金尘泥中回收Fe和Al，做为制备Fe2O3/Al2O3载氧体的元素源，最后采用煅烧的方法得到目标产物Fe2O3/Al2O3载氧体。该方法的特征是以含铁冶金尘泥的主要提取物Fe和少量Al制备Fe2O3/Al2O3载氧体，其化学组成主要为Fe2O3/Al2O3，其中Fe2O3含量为90％-95％，Al2O3含量不超过5％，其余微量组分为制备过程中尘泥中混入的微量元素，对Fe2O3/Al2O3载氧体参与燃烧不产生明显影响。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、突破传统使用化学试剂和一次资源制备Fe2O3/Al2O3载氧体的研究理念，而以冶金固体废弃物-含铁冶金尘泥为研究对象，利用尘泥中主要组分Fe元素和少了Al元素，采用溶胶凝胶共沉淀法，制备得到Fe2O3/Al2O3载氧体，从而克服了制备Fe2O3/Al2O3载氧体的原料单纯依赖化学试剂的局限，在降低制备成本的同时，为钢铁冶金尘泥资源高附加值利用提供了新途径；
2、与传统使用化学试剂制备Fe2O3/Al2O3载氧体的性能相比，本发明所述新方法制备Fe2O3/Al2O3载氧体具有较好的载氧能力和还原反应速率，利用同步热重分析仪(TGA)对载氧体进行循环周期测试，在循环周期内保持了良好的反应性能。
附图说明
图1为本发明制备的Fe2O3/Al2O3载氧体的XRD图谱；
由图1可见，载氧体主要成分是a-Fe2O3晶型，活性组分Fe2O3主要以分子形式存在，而并没有与铝元素形成复杂物,且除了Al2O3外，其他杂质组分较少。
图2为本发明制备的Fe2O3/Al2O载氧体与焦碳粉模拟化学链燃烧的TG-DSC图谱；
从图2可知，Fe2O3/Al2O3氧载体与焦炭的混合物,在880℃左右质量急剧下降，这说明此时Fe2O3/Al2O3氧载体与焦炭的还原反应快速进行，由此论证了此载氧体在煤基化学链燃烧技术应用上的可行性。
具体实施方式
下面通过实施例具体说明本发明，但实施例并不限制本发明的保护范围。
实施例1
取100g高炉瓦斯泥，加盐酸酸解，过滤去掉不熔渣，再加硫酸，调节pH为1，加热使硫酸溶液升高到80℃，酸解过程中补加蒸发掉的水分，保持酸解液面不变，2h后反应结束。抽滤，洗涤滤饼2次，抽滤至滤液没有悬浊物存在，加入去离子水至溶液总体积达到500ml左右，分别向滤液中加入6ml的双氧水、6ml的氨水，待滤液温度升至70℃时，滴加氨水，调节pH＝4制备出种沉淀产品，待pH稳定后，继续搅拌30min。抽滤、洗涤所制备产品3～4遍，再将洗涤过的产品放入干燥箱中于100℃下干燥6小时，除去自由水，之后，将产品放入马弗炉中煅烧至850℃，保温1h，得到Fe2O3/Al2O3载氧体样品，装袋备用。
实施例2
取100g高炉瓦斯泥，加盐酸酸解，过滤去掉不熔渣，再加硫酸，调节pH为1.5，加热使硫酸溶液升高到85℃，酸解过程中补加蒸发掉的水分，保持酸解液面不变，2h后反应结束。抽滤，洗涤滤饼2次，抽滤至滤液没有悬浊物存在，加入去离子水至溶液总体积达到500ml左右，分别向滤液中加入6ml的双氧水、6ml的氨水，待滤液温度升至70℃时，滴加氨水，调节pH＝3.5制备出种沉淀产品，待pH稳定后，继续搅拌30min。抽滤、洗涤所制备产品3～4遍，再将洗涤过的产品放入干燥箱中于100℃下干燥6小时，除去自由水，之后，将产品放入马弗炉中煅烧至800℃，保温1h，得到Fe2O3/Al2O3载氧体样品，装袋备用。
实施例3
取100g高炉瓦斯泥，加盐酸酸解，过滤去掉不熔渣，再加硫酸，调节pH为2，加热使硫酸溶液升高到90℃，酸解过程中补加蒸发掉的水分，保持酸解液面不变，3h后反应结束。抽滤，洗涤滤饼2次，抽滤至滤液没有悬浊物存在，加入去离子水至溶液总体积达到500ml左右，分别向滤液中加入6ml的双氧水、6ml的氨水，待滤液温度升至70℃时，滴加氨水，调节pH＝4制备出种沉淀产品，待pH稳 定后，继续搅拌30min。抽滤、洗涤所制备产品3～4遍，再将洗涤过的产品放入干燥箱中于100℃下干燥6小时，除去自由水，之后，将产品放入马弗炉中煅烧至850℃，保温1.5h，得到Fe2O3/Al2O3载氧体样品，装袋备用。
Claims (2)
1.一种以含铁冶金尘泥为主要原料制备Fe2O3/Al2O3载氧体的方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
(1)首先对含铁冶金尘泥进行球磨，使样品粒度小于200目，然后将该含铁冶金尘泥使用盐酸酸解，酸解液的PH值在3～4之间，过滤除去未溶解的残渣，之后加硫酸调节PH值至1～2，加热使溶液温度升高到80～90℃，反应2～3h，使溶液中的Ca粒子以CaSO4沉淀的形式析出，然后对过滤除去CaSO4后的溶液滴加双氧水，使得溶液中Fe2+充分的氧化为Fe3+，之后滴加氨水调节PH值，使Fe和Al元素以氢氧化物沉淀形式析出，过滤烘干得到Fe2O3/Al2O3载氧体的前驱体；所述含铁冶金尘泥为高炉瓦斯泥；
(2)将步骤(1)制备的Fe2O3/Al2O3载氧体的前驱体放入马弗炉中煅烧至800～850℃，保温1～1.5h，最后得到目标产物：Fe2O3/Al2O3载氧体。
2.如权利要求1所述的以含铁冶金尘泥为主要原料制备Fe2O3/Al2O3载氧体的方法，其特征在于，所述步骤(1)中：加硫酸调节PH值至1，加热使溶液升高到80℃，反应2h；所述步骤(2)中：将前驱体放入马弗炉中煅烧至850℃，保温1h。
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