CN105985037A - 石膏的制造方法及水泥组合物的制造方法 - Google Patents

石膏的制造方法及水泥组合物的制造方法 Download PDF

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门野壮
森川卓子
小西正芳
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Abstract

本发明提供一种石膏制造方法、及使用通过该石膏制造方法所制造的石膏的水泥组合物的制造方法。本发明的石膏制造方法包括向含有重金属的废硫酸中添加钙源来使石膏析出的步骤(A)，且在步骤(A)中，使向废硫酸中添加钙源来使石膏析出时的废硫酸的pH变成3.0以下。本发明的水泥组合物的制造方法包括通过本发明的石膏制造方法来制造石膏的步骤、以及使用制造石膏的步骤中所制造的石膏来制造水泥组合物的步骤。本发明的石膏制造方法可直接使用含有重金属的废硫酸来制造重金属的含量低的石膏。

Description

石膏的制造方法及水泥组合物的制造方法
技术领域
本发明涉及一种有效利用含有重金属的废硫酸来制造石膏的石膏制造方法、及使用通过该石膏制造方法所制造的石膏来制造水泥组合物的水泥组合物的制造方法。
背景技术
利用钙化合物对各种工业生产的步骤中所产生的硫酸进行中和处理，而制造作为其副产物的石膏的方法广为人知。但是，关于含有许多重金属的废硫酸，石膏中的重金属的含量也变高，因此作为石膏的利用受到限定。因此，已提出有由含有重金属的废硫酸制造重金属的含量低的石膏的各种方法。例如，当使用含有铁成分作为重金属的废硫酸来制造铁成分的含量低的石膏时，事先实施削减铁成分的处理后使用废硫酸、或仅在铁不会析出的低pH区域的反应中制造石膏。作为从含有铁成分的废硫酸中减少铁成分，由此对含有铁成分的废硫酸进行处理的方法，例如专利文献1中所记载的废硫酸的处理方法及专利文献2中所记载的废硫酸的处理方法作为现有技术而为人所知。根据专利文献1中所记载的废硫酸的处理方法，对含有铁成分的废硫酸进行冷却，使硫酸亚铁析出并分离去除，而降低废硫酸中的铁成分浓度。另外，根据专利文献2中所记载的废硫酸的处理方法，将浓硫酸混入至废硫酸中，由此使该废硫酸的硫酸浓度变得非常高，而使铁成分的溶解度下降，并使硫酸铁结晶从溶解有铁成分的废硫酸中析出，且将该硫酸铁结晶去除，由此削减溶解在废硫酸中的铁成分。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2004-256334号公报
[专利文献2]日本专利特开2002-284509号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
但是，当使用通过废硫酸的处理方法削减了铁成分的废硫酸制造石膏时，存在石膏的制造变得繁杂这一问题。另外，也有可能产生难以将铁成分含量降低至足以制造石膏的水平为止的情况。另一方面，当仅在铁不会析出的低pH区域的反应中制造石膏时，可制造石膏的量变少，无法充分地利用硫酸。因此，本发明的目的在于提供一种不限于含有铁成分的废硫酸，可直接使用含有重金属的废硫酸来制造重金属的含量低的石膏的石膏制造方法，及使用通过该石膏制造方法所制造的石膏来制造水泥组合物的水泥组合物的制造方法。
[解决问题的技术手段]
本发明者等进行努力研究的结果，发现通过调整向含有重金属的废硫酸中直接添加钙源来使石膏析出时的废硫酸的pH，可降低所析出的石膏中的重金属的含量，从而完成了本发明。即，本发明如下所述。
[1]一种石膏制造方法，其特征在于：包括向含有重金属的废硫酸中添加钙源来使石膏析出的步骤(A)，且在步骤(A)中，使向废硫酸中添加钙源来使石膏析出时的废硫酸的pH变成3.0以下。
[2]根据所述[1]中记载的石膏制造方法，其特征在于：还包括将步骤(A)中所析出的石膏从废硫酸中分离去除的步骤(B)，以及向分离去除了石膏的废硫酸中添加选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种来使重金属的氢氧化物析出的步骤(C)，且在步骤(C)中，使向废硫酸中添加选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种来使氢氧化物析出时的废硫酸的pH变成3.5以上、10.0以下。
[3]根据所述[2]中记载的石膏制造方法，其特征在于：还包括将步骤(C)中所析出的氢氧化物从废硫酸中分离去除的步骤(D)、以及向分离去除了氢氧化物的废硫酸中添加钙源来使石膏析出的步骤(E)。
[4]一种水泥组合物的制造方法，其特征在于：包括通过根据所述[1]至[3]中任一项记载的石膏制造方法来制造石膏的步骤、以及使用制造石膏的步骤中所制造的石膏来制造水泥组合物的步骤。
(发明的效果)
根据本发明，可提供一种能够直接使用含有重金属的废硫酸来制造重金属的含量低的石膏的石膏制造方法、及使用通过该石膏制造方法所制造的石膏来制造水泥组合物的水泥组合物的制造方法。
具体实施方式
[石膏的制造方法]
以下，对本发明的石膏制造方法进行说明。本发明的石膏制造方法包括向含有重金属的废硫酸中添加钙源来使石膏析出的步骤(A)。
步骤(A)
在步骤(A)中，向含有重金属的废硫酸中添加钙源来使石膏析出。
(重金属)
本发明的重金属是比重超过5的金属，重金属例如可列举：铁、锌、铬、铅、镉、铜、锡、汞、镍及钴等。在废硫酸中含有铁、锌及铬的情况多。
(废硫酸)
步骤(A)中所使用的废硫酸只要是含有重金属者，则并无特别限定。含有重金属的废硫酸例如为用于钢板的酸洗后的硫酸及铜精炼中所产生的硫酸等。
(钙源)
步骤(A)中所使用的钙源是含有钙的化合物及将这些化合物作为主成分的各种材料，只要是石膏以外者，则并无特别限定。钙源例如可列举：氧化钙、氢氧化钙、碳酸钙、磷酸钙、氟化钙及氯化钙等。这些钙源可单独使用一种、或将两种以上组合使用。这些钙源之中，优选的钙源可列举氧化钙及碳酸钙等。另外，也可以将贝壳或未加工的混凝土污泥(concretesludge)等钙的含量大的废弃物用作钙源。这些所例示的钙源可单独使用一种、或将两种以上组合使用。
(钙源的添加量)
钙源的添加量是以添加有钙源的废硫酸的pH收敛在3.0以下，优选收敛在2.5以下，更优选收敛在2.0以下的范围内的方式进行控制。
(石膏)
步骤(A)中所析出的石膏为二水石膏及/或无水石膏。废硫酸中的重金属几乎不会析出，而残留在废硫酸中，因此步骤(A)中所析出的石膏中的重金属的含量小。
在步骤(A)中，使向废硫酸中添加钙源来使石膏析出时的废硫酸的pH变成3.0以下，优选变成2.5以下，更优选变成2.0以下。若废硫酸的pH大于3.0，则与石膏一同析出的重金属的化合物的析出量变高，石膏中的重金属的含量变高。另外，只要石膏析出，则向废硫酸中添加钙源来使石膏析出时的废硫酸的pH的下限值并无特别限定。废硫酸的pH的下限值例如为1.0。
(水)
在步骤(A)中，为了调整添加有钙源的废硫酸的粘度等，也可以向混合物中添加水。可用于本发明的石膏制造方法的水例如可列举：离子交换水、纯水、蒸馏水及自来水等。这些水可单独使用一种、或将两种以上组合使用。另外，也可以利用对在后述的步骤(F)中分离去除石膏时所产生的滤液进行处理所获得的排水。
本发明的石膏制造方法可进一步包括：将步骤(A)中所析出的石膏从废硫酸中分离去除的步骤(B)，以及向分离去除了石膏的废硫酸中添加选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种来使重金属的氢氧化物析出的步骤(C)。
步骤(B)
在步骤(B)中，将步骤(A)中所析出的石膏从废硫酸中分离去除。
(分离去除)
可通过使石膏沉淀来将石膏从废硫酸中分离去除，也可以通过对含有石膏的废硫酸进行过滤来将石膏从废硫酸中分离去除。另外，也可以采用使用液体分流器、倾析器、离心分离机、压滤机等固液分离装置的分离方法来将石膏从废硫酸中分离去除。这些分离去除方法可单独实施，也可以将两种以上组合来实施。
步骤(C)
在步骤(C)中，向分离去除了石膏的废硫酸中添加选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种来使重金属的氢氧化物析出。
(选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种)
选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种与废硫酸中的重金属进行反应而使重金属的氢氧化物析出，并且与废硫酸中的硫酸进行反应而生成水溶性的硫酸盐。
(废硫酸的pH)
在步骤(C)中，以使向废硫酸中添加选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种来使重金属的氢氧化物析出时的废硫酸的pH优选变成3.5以上、10.0以下，更优选变成3.5以上、5.0以下的方式，调整选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种的添加量。通过使废硫酸的pH变成3.5以上、10.0以下，可使废硫酸中的大部分重金属作为氢氧化物析出。
例如，当使氢氧化铁从含有铁成分作为重金属的废硫酸中析出时，也可以使废硫酸的pH优选变成5.0以上、10.0以下，更优选变成6.0以上、8.0以下的方式，调整选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种的添加量。通过使废硫酸的pH变成5.0以上、10.0以下，可使废硫酸中的大部分铁作为氢氧化物析出。再者，选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种的钠、钾及镁在废硫酸中以离子的状态存在。因此，对所析出的所述氢氧化物进行过滤，由此可减少所析出的氢氧化物中的钠、钾及镁的含量，进而，利用水对所析出的氢氧化物进行清洗，由此可进一步减少所析出的氢氧化物中的钠、钾及镁的含量。
例如，当使氢氧化锌从含有锌成分作为重金属的废硫酸中析出时，也可以使废硫酸的pH优选变成4.5以上、10.0以下，更优选变成5.0以上、10.0以下的方式，调整选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种的添加量。通过使废硫酸的pH变成4.5以上、10.0以下，可使废硫酸中的大部分锌作为氢氧化物析出。
例如，当使氢氧化铬从含有铬成分作为重金属的废硫酸中析出时，也可以使废硫酸的pH优选变成3.5以上、10.0以下，更优选变成4.0以上、10.0以下，进而更优选变成4.5以上、10.0以下的方式，调整选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种的添加量。通过使废硫酸的pH变成3.5以上、10.0以下，可使废硫酸中的大部分铬作为氢氧化物析出。
本发明的石膏制造方法可进一步包括将步骤(C)中所析出的氢氧化物从废硫酸中分离去除的步骤(D)、以及向分离去除了氢氧化物的废硫酸中添加钙源来使石膏析出的步骤(E)。
步骤(D)
在步骤(D)中，将步骤(C)中所析出的重金属的氢氧化物从废硫酸中分离去除。
(分离去除)
步骤(D)中的分离去除的说明与步骤(B)中的分离去除的说明相同，因此省略步骤(D)中的分离去除的说明。再者，步骤(D)中的分离去除的方法可与步骤(B)中的分离去除的方法相同，也可以不同。另外，为了使分离变得更快，也可以添加高分子凝聚剂。
步骤(E)
在步骤(E)中，向分离去除了重金属的氢氧化物的废硫酸中添加钙源来使石膏析出。
(分离去除了重金属的氢氧化物的废硫酸)
在步骤(E)中，分离去除了重金属的氢氧化物的废硫酸中的重金属的含有率充分地变低，因此通过向废硫酸中添加钙源来使石膏析出，可获得重金属的含有率低的石膏。另外，在步骤(E)中，进一步使石膏析出，由此可有效地利用废硫酸中的大部分SO4成分。
(钙源)
作为步骤(E)中所使用的钙源，例如可列举：氯化钙等水溶性钙盐、或含有钙离子的水溶液等。
(钙源的添加量)
关于步骤(E)中添加至废硫酸中的钙源的添加量，通过将钙源中的Ca与废硫酸中的SO4 2-的摩尔比(Ca/SO4 2-)接近1的量的钙源添加至废硫酸中，可将废硫酸中的大部分SO4 2-转化成石膏。若摩尔比高于此，则钙变得过剩，若摩尔比低于此，则硫酸根离子变得过剩，而需要排水处理，因此并不经济。再者，钙源中的Ca与废硫酸中的SO4 2-的摩尔比(Ca/SO4 2-)优选0.9～1.0，更优选0.9～0.95。
本发明的石膏制造方法可进一步包括将步骤(E)中所析出的石膏从废硫酸中分离去除的步骤(F)。
步骤(F)
在步骤(F)中，将步骤(E)中所析出的石膏从废硫酸中分离去除。
(分离去除)
步骤(F)中的分离去除的说明与步骤(B)中的分离去除的说明相同，因此省略步骤(F)中的分离去除的说明。再者，步骤(F)中的分离去除的方法可与步骤(B)中的分离去除的方法相同，也可以不同。
如上所述，步骤(C)中所添加的选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种的钠、钾及镁在废硫酸中以离子的状态存在。因此，利用水对步骤(F)中所析出的石膏进行清洗，由此可减少所析出的石膏中的钠、钾及镁的含量。
[水泥组合物的制造方法]
本发明的水泥组合物的制造方法包括：通过本发明的石膏制造方法来制造石膏的步骤、以及使用制造石膏的步骤中所制造的石膏来制造水泥组合物的步骤。即，本发明的水泥组合物的制造方法使用通过本发明的石膏制造方法所制造的石膏来制造水泥组合物。例如，也可以向水泥溶渣(cementclinker)中添加通过本发明的石膏制造方法所制造的石膏与少量混合成分来制造水泥组合物。另外，也可以向将通过本发明的石膏制造方法所制造的石膏用作溶渣原料之一所制造的水泥溶渣中，添加通过本发明的石膏制造方法所制造的石膏或其他石膏与少量混合成分来制造水泥组合物。
另外，当废硫酸中所含有的重金属为铁时，除通过本发明的石膏制造方法所制造的石膏以外，本发明的水泥组合物的制造方法可进而使用本发明的石膏制造方法的步骤(C)中所析出的氢氧化铁来制造水泥组合物。例如，作为水泥组合物的制造中所使用的水泥溶渣的溶渣原料之一，也可以使用步骤(C)中所析出的氢氧化铁或者由该氢氧化铁所制作的铁或铁化合物。
[实施例]
继而，通过实施例来更详细地说明本发明，但本发明并不受这些实施例任何限定。
[测定及评价]
如以下般测定及评价实施例及比较例的石膏。
(1)废硫酸的pH
使用pH计(堀场制作所(股份)制造，商品名：pH计D-51)、pH电极(堀场制作所(股份)制造，商品名：Sleeve Touph电极9681-10D)，测定添加有钙源，或选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种的废硫酸的pH。
(2)析出物的鉴定
使用X射线绕射装置(帕纳科(PANalytical)公司制造，商品名：X′PertPro)，进行向废硫酸中添加钙源，或选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种后从废硫酸中析出的析出物的鉴定。
(3)析出物中的重金属的含量
使用能量分散型荧光X射线分析装置(斯派克(SPECTRO)公司制造，商品名：XEPOS)，测定向废硫酸中添加钙源，或选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种后从废硫酸中析出的析出物中的铁、锌及铬的含量。
(4)滤液中的SO4 2-的含量
使用离子色谱装置(戴安(Dionex)公司制造，商品名：ICS-2000)，测定对废硫酸进行过滤所获得的滤液中的SO4 2-的含量。
(5)析出物的颜色
以目视观察对废硫酸进行过滤所获得的析出物的颜色。
[实施例1～实施例7及比较例1～比较例5的析出物的制作]
一面使用所述pH计测定pH，一面以pH变成0.5的方式向1000mL的废硫酸中添加碳酸钙浆料，并搅拌3小时。继而，一面进行搅拌，一面进而向所述废硫酸中一点点地添加碳酸钙浆料。而且，当使废硫酸的pH的值变成表1中所示的规定值而结束时，对30mL的废硫酸进行采样。对所采样的废硫酸进行过滤而获得所采样的废硫酸的析出物及滤液。再者，碳酸钙浆料通过向1L的水中添加100g的碳酸钙来制作。另外，添加碳酸钙前的废硫酸中的Fe的含量为5.8质量％，锌的含量为3300mg/kg，铬的含量为150mg/kg，SO4 2-的含量为19.4质量％。
[实施例8及实施例9的析出物的制作]
在所述碳酸钙浆料的添加中，当废硫酸的pH变成2.0时分离取出200mL的废硫酸并进行过滤，向所获得的滤液中添加氢氧化钠水溶液直至废硫酸的pH变成6.5为止，而制成实施例8的废硫酸。对实施例8的废硫酸进行过滤，由此获得实施例8的析出物。向残留的滤液中添加氯化钙水溶液后进行搅拌，而制成实施例9的废硫酸。对实施例9的废硫酸进行过滤而获得实施例9的析出物。
[测定结果及评价结果]
将实施例1～实施例7的所采样的废硫酸及比较例1～比较例5的所采样的废硫酸的评价结果示于表1中，将实施例8及实施例9的废硫酸的评价结果示于表2中。
[表1]
实施例1～实施例7及比较例1～比较例5的评价结果
[表2]
实施例8及实施例9的评价结果
通过对实施例1～实施例7与比较例1～比较例5进行比较，可知通过使向废硫酸中添加碳酸钙浆料来使石膏析出时的pH变成3.0以下，可降低所析出的石膏中的铁成分、锌成分及铬成分的含量。另外，由于实施例1～实施例5的析出物的颜色为白色，因此也可知所析出的石膏中的铁成分的含量低。进而，通过对添加碳酸钙浆料前的废硫酸中的SO4 2-的含量与实施例2～实施例7的滤液中的SO4 2-的含量进行比较，可知通过使向废硫酸中添加碳酸钙浆料来使废硫酸的pH变成1.0以上，废硫酸中的大部分SO4 2-被转化成石膏。另外，通过实施例8，可知向废硫酸中添加钙源来使废硫酸的pH变成3.0以下并使石膏析出后，向废硫酸中添加选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种来使废硫酸的pH变成3.5以上、10.0以下，由此可使废硫酸中的铁成分、锌成分及铬成分析出。进而，通过实施例9，可知可向使铁成分、锌成分及铬成分析出后的废硫酸中添加钙源，而使铁成分、锌成分及铬成分的含量小的石膏析出。

Claims (4)

1.一种石膏制造方法，其特征在于：包括向含有重金属的废硫酸中添加钙源来使石膏析出的步骤(A)，且在所述步骤(A)中，使向所述废硫酸中添加所述钙源来使所述石膏析出时的所述废硫酸的pH变成3.0以下。
2.根据权利要求1所述的石膏制造方法，其特征在于：还包括将所述步骤(A)中所析出的所述石膏从所述废硫酸中分离去除的步骤(B)，以及
向分离去除了所述石膏的废硫酸中添加选自由氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种来使所述重金属的氢氧化物析出的步骤(C)，且
在所述步骤(C)中，使向所述废硫酸中添加选自由所述氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化镁所组成的群组中的至少一种来使所述氢氧化物析出时的所述废硫酸的pH变成3.5以上、10.0以下。
3.根据权利要求2所述的石膏制造方法，其特征在于：还包括将所述步骤(C)中所析出的所述氢氧化物从所述废硫酸中分离去除的步骤(D)、以及
向分离去除了所述氢氧化物的所述废硫酸中添加钙源来使石膏析出的步骤(E)。
4.一种水泥组合物的制造方法，其特征在于：包括通过根据权利要求1至3中任一项所述的石膏制造方法来制造石膏的步骤、以及
使用制造所述石膏的步骤中所制造的石膏来制造水泥组合物的步骤。
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