CN115920826A - 一种赤泥基吸附剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种赤泥基吸附剂及其制备方法和应用。该方法是将赤泥进行焙烧反应Ⅰ，得到焙烧赤泥；将所述焙烧赤泥与净水厂污泥、水玻璃及水混合制粒，得到生料颗粒；将所述生料颗粒依次进行蒸汽养护处理和焙烧反应Ⅱ，即得。该吸附剂孔隙率高，吸附能力强，应用于废水除磷时，具有较高的净化效率，且可再生利用，其制备方法简单，成本低廉，对解决赤泥、净水厂污泥的资源化综合利用、磷酸盐回收以及实现“以废治废”具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种吸附剂，具体涉及一种赤泥基吸附剂，还涉及其制备方法和应用，属于固体废弃物综合利用以及废水净化技术领域。
背景技术
氮、磷素是限制淡水湖泊富营养化的关键因素，水中的氮磷等营养物质过多会导致藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解量下降，水质恶化，鱼类及其生物量大量死亡。磷为富营养化的主导元素，磷的来源分为外源和内源两个部分，居民的生活污水和工农业的生产污水是外源磷的主要来源；而内源污染是来自于沉积物释放的磷酸盐。因此，为防止水体富营养化的发生，除了源头上控制磷的排放，此外找到一种既经济又环保的除磷吸附剂非常重要，其中以矿物作为吸附剂的方法较为廉价。
赤泥是氧化铝工业提炼氧化铝后排放的废弃残渣，我国是氧化铝生产大国，每年产生的赤泥约为3000万吨以上，约占全球的1/3以上。目前国内外氧化铝厂大部分将赤泥输送堆场堆存和筑坝堆存，赤泥的堆放不仅占用大量土地，而且严重恶化生态环境。因此资源化利用迫在眉睫。赤泥中含有大量钙、铝、铁、硅等活性金属氧化物，而且还具有多孔结构，故赤泥可用来制备吸附剂材料。由于原赤泥对磷的吸附能力较弱，需要通过改性提高其除磷能力。
净水厂污泥是净水厂生产自来水过程中不可避免的副产物，其主要成分一部分是原水中的有机物和无机物，还有一部分是净水厂加入的絮凝剂(以铝盐和铁盐居多)。净水厂污泥长期被当做垃圾填埋，没有得到资源化利用。由于净水厂污泥含有大量的不定形铁、铝氢氧化物，这个特性使得其对磷有良好的吸附效果。
然而，目前上述固废并没有得到良好的利用，尤其在水体治理方面，并没有得到有效利用，因此，急需研究能够将上述固废进行充分资源化利用的途径，以进行水体富营养化防治。
发明内容
针对现有赤泥和净水厂污泥处理技术存在的综合利用效率低，未能结合水体富磷化问题等缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种赤泥基吸附剂，该吸附剂的孔隙率高，具有优良的吸附性能，能够高效吸附磷酸盐，且吸附磷后的材料可通过加酸再释放磷，作为土壤磷肥施用，材料可实现再生利用。
本发明的第二个目的是在于提供一种赤泥基吸附剂的制备方法。该方法以赤泥和净水厂污泥作为原料，有效实现了固体废弃物的资源化利用，且方法简单，成本低廉，绿色环保，适合工业化生产。
本发明的第三个目的是在于提供一种赤泥基吸附剂的应用。该吸附剂应用于废水除磷时，具有较高的净化效率，且可以再生并循环使用，通过该吸附剂能够实现“以废治废”的目的，具有较高的经济、社会和环境效益。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种赤泥基吸附剂的制备方法，该方法是将赤泥进行焙烧反应Ⅰ，得到焙烧赤泥；将所述焙烧赤泥与净水厂污泥、水玻璃及水混合制粒，得到生料颗粒；将所述生料颗粒依次进行蒸汽养护处理和焙烧反应Ⅱ，即得。
本发明以烧结法赤泥为原料，经过焙烧活化，可提高其对磷的去除效率。赤泥中含有的CaO、Al2O3和Fe2O3可以和磷酸根生成不溶性沉淀，Al2O3在一定pH环境下还可以发生羟基化，对水中的磷产生吸附凝聚的作用。通过焙烧活化，赤泥中含有的金属氧化物如CaO和SiO2等成分可以形成结构相对稳定的硅酸盐，使形成的赤泥颗粒强度明显增大，从而提高其抗水力冲击负荷的能力。另外，赤泥在焙烧过程中，其存在的水合矿物和碳酸盐矿物等易分解并释放出水分或气体，有助于其内部形成多孔结构，从而增大比表面积。经过焙烧活化形成的官能团和赤泥中固有存在的钙、铁和铝的氧化物等可与磷酸根作用，可同时具有表面官能团吸附和表面化学沉淀为特征的除磷过程。烧结法赤泥本身铁、铝氧化物含量不高，也难以制成颗粒吸附剂，除磷效果难以达到要求，故添加净水厂污泥，净水厂污泥中富含大量的铁、铝氧化物，可进一步提高磷的去除效率；并以水玻璃作为激发剂，其混合物蒸汽养护可以促进赤泥基碱激发胶凝材料的水化反应，提高反应产物C-S-H凝胶数量，易成型，也可提高材料强度。对蒸气养护后的材料进行焙烧处理，可解决材料中净水厂污泥释放氨氮和有机物的问题，而且可提高净水厂污泥的磷吸附能力。
作为一个优选的方案，所述赤泥为烧结法赤泥。
作为一个优选的方案，所述焙烧反应Ⅰ的条件为：温度为600～850℃，时间为1～3h。
作为一个优选的方案，所述焙烧赤泥、净水厂污泥以及水玻璃的质量份比为70～90：10～30：5～15。进一步优选的方案，所述焙烧赤泥、净水厂污泥以及水玻璃的质量份比为80～85：10～20：5～10。
赤泥、净水厂污泥及水玻璃掺量是影响吸附材料性能的重要因素。当赤泥掺量过高时，形成的胶凝产物不足，材料强度不够，不易成型，当赤泥掺量过低，则磷的去除效率较低；当净水厂污泥掺量过高时，材料孔隙率降低，影响磷的去除效率，当净水厂污泥掺量过低时，材料强度不够，去除率也相对降低；当水玻璃含量过低，则材料易破碎，过高则黏度增大，可操作性变差，除磷效率也相对减少。
作为一个优选的方案，所述水玻璃的模数为2～3.0。添加水玻璃能够增大颗粒材料强度，提高抗水冲击负荷能力。控制水玻璃模数在合理范围可获得最优性能的吸附剂。水玻璃的模数会影响胶黏剂的胶结性能，对材料的凝胶时间及凝胶体强度有一定影响。一般模数越大，其粘结力越强，更易于硬化成膜，但是一定程度上会使水玻璃黏度增大，可操作性变差。因此，综合考虑，选择模数为2.4～2.8的水玻璃可使得材料综合性能最佳。
作为一个优选的方案，所述水的质量为焙烧赤泥、净水厂污泥和水玻璃总质量的0.4～0.6倍。控制水的用量在合适的范围有利于制粒获得更好的吸附剂。当水用量过高时，材料制粒较难，制成的生料颗粒易变形，当水用量过低时，焙烧赤泥、净水厂污泥以及水玻璃三者混合制粒时，较难黏结，相对不易成型。
作为一个优选的方案，所述生料颗粒的尺寸大小为10～15mm。
作为一个优选的方案，所述蒸汽养护处理条件为：温度为50～70℃，时间为24～60h。蒸汽养护可以促进赤泥基碱激发胶凝材料的水化反应，提高反应产物C-S-H凝胶数量，从而使结构更为致密，强度大幅度提高。温度过低及时间过短时，其胶凝产物数量过少，强度不够，不易成型；提高温度可以促进胶凝产物形成，达到一定温度和时间后，其强度趋近一致。
作为一个优选的方案，所述焙烧反应Ⅱ的条件为：温度为300～500℃，时间为2～4h。对蒸气养护后的材料进行煅烧处理，可解决材料中净水厂污泥释放氨氮和有机物的问题，而且可提高净水厂污泥的磷吸附能力。当焙烧温度过高，时间过长时，磷吸附能力下降，主要原因是温度过高，导致内部的Al(OH)3脱羟基，内部无定形物质晶体化，这两种作用下，焙烧后的吸附点位减少，磷吸附能力下降；当焙烧温度过低，时间过短时，达不到焙烧效果。
本发明还提供了一种赤泥基吸附剂，该吸附剂是由上述方法制备得到。该吸附剂孔隙率高，具有优良的吸附性能，能够高效吸附磷酸盐，且吸附磷后的材料可通过加酸再释放磷，作为土壤磷肥施用，吸附材料可实现再生利用。
本发明还提供了一种赤泥基吸附剂的应用，其作为吸附材料应用吸附水体中的磷物质。该吸附剂作为吸附材料应用于废水除磷时，具有较高的净化效率，达到“以废治废”，具有较高的经济、社会和环境效益。
相对现有技术，本发明具有以下有益技术效果：
(1)吸附剂孔隙率高，吸附性能优异，尤其对磷酸盐具有较高的吸附效率，可有效解决水体富磷问题，吸附磷后的材料可释放磷，从而作为土壤磷肥施用，并实现材料的再生利用。
(2)制备方法简单，条件温和，成本低廉，以赤泥和净水厂污泥作为原料，实现的固废的高效利用，解决了赤泥长期累积问题及净水厂污泥含水率高、脱水难的问题，既避免了两者对环境的污染，又为固体废弃物的处置和循环利用提供了一种新的途径。
(3)大大提高了赤泥和净水厂污泥固废的综合利用效率，具有较高的经济、社会和环境效益。
具体实施方式
为使本发明所述内容更加便于理解，下面结合具体实施方式，对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但本发明不仅限于此。
赤泥及净水厂污泥的化学组成如表1和表2所示
表1赤泥的化学组成
| 化学成分 | <![CDATA[Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | CaO | MgO | <![CDATA[Na<sub>2</sub>O]]> | <![CDATA[TiO<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[K<sub>2</sub>O]]> | 其他 |
| 烧结法赤泥(％) | 5.49 | 18.35 | 13.50 | 40.93 | 0.76 | 2.30 | 3.03 | 0.23 | 15.71 |
表2净水厂污泥的化学组成
| 化学成分 | <![CDATA[Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | MnO | CaO | <![CDATA[Na<sub>2</sub>O]]> | <![CDATA[K<sub>2</sub>O]]> | 烧失量 |
| 净水厂污泥(％) | 23.01 | 24.14 | 5.10 | 1.05 | 11.86 | 6.08 | 2.87 | 23.75 |
实施例1
取一定量的赤泥置于马弗炉中，在800℃的条件下焙烧2h，自然冷却后取出；按照赤泥、净水厂污泥、水玻璃质量比85％：10％：5％，添加适量去离子水，以水灰比0.5进行混合均匀，通过造粒机制成直径为10～15mm的生料颗粒；将生料颗粒在60℃下蒸气养护48h；再将蒸汽养护后的颗粒放入马弗炉400℃下焙烧3h，制得赤泥基除磷吸附剂，应用于废水中磷酸盐的去除。
称取1g的除磷吸附剂，投放于50mL，50mg/L的含磷溶液中，在恒温振荡箱中进行吸附试验。在温度为25℃，运行时间为4h，振速为100r/min的条件下，除磷效率为92.7％。
实施例2
取一定量的赤泥置于马弗炉中，在800℃的条件下焙烧2h，自然冷却后取出；按照赤泥、净水厂污泥、水玻璃质量比80％：15％：5％，添加适量去离子水，以水灰比0.5进行混合均匀，通过造粒机制成直径为10～15mm的生料颗粒；将生料颗粒在60℃下蒸气养护48h；再将蒸汽养护后的颗粒放入马弗炉400℃下焙烧3h，制得赤泥基除磷吸附剂，应用于废水中磷酸盐的去除。
称取1g的除磷吸附剂，投放于50mL，50mg/L的含磷溶液中，在恒温振荡箱中进行吸附试验。在温度为25℃，运行时间为4h，振速为100r/min的条件下，除磷效率为94.2％。
实施例3
取一定量的赤泥置于马弗炉中，在800℃的条件下焙烧2h，自然冷却后取出；按照赤泥、净水厂污泥、水玻璃质量比60％：35％：5％，添加适量去离子水，以水灰比0.5进行混合均匀，通过造粒机制成直径为10～15mm的生料颗粒；将生料颗粒在60℃下蒸气养护48h；再将蒸汽养护后的颗粒放入马弗炉400℃下焙烧3h，制得赤泥基除磷吸附剂，应用于废水中磷酸盐的去除。
称取1g的除磷吸附剂，投放于50mL，50mg/L的含磷溶液中，在恒温振荡箱中进行吸附试验。在温度为25℃，运行时间为4h，振速为100r/min的条件下，除磷效率为65％。
对比例1
取一定量的赤泥置于马弗炉中，在800℃的条件下焙烧2h，自然冷却后取出；按照赤泥、净水厂污泥、水玻璃质量比85％：15％：0％，添加适量去离子水，以水灰比0.5进行混合均匀，通过造粒机制成直径为10～15mm的生料颗粒；将生料颗粒在60℃下蒸气养护48h；再将蒸汽养护后的颗粒放入马弗炉400℃下焙烧3h，制得赤泥基除磷吸附剂，应用于废水中磷酸盐的去除。
称取1g的除磷吸附剂，投放于50mL，50mg/L的含磷溶液中，在恒温振荡箱中进行吸附试验。在温度为25℃，运行时间为4h，振速为100r/min的条件下，除磷效率为93.5％。材料强度不够，经震荡后材料容易破碎，无法再生。
对比例2
取一定量的赤泥置于马弗炉中，在800℃的条件下焙烧2h，自然冷却后取出；按照赤泥、净水厂污泥、水玻璃质量比95％：5％：0％，添加适量去离子水，以水灰比0.5进行混合均匀，通过造粒机制成直径为10～15mm的生料颗粒；将生料颗粒在60℃下蒸气养护48h；再将蒸汽养护后的颗粒放入马弗炉400℃下焙烧3h，焙烧后的材料无法烧制成型。
实施例4
将实施例2中除磷后的材料，用0.1mol/L盐酸溶液进行解吸烘干后，再用于吸附实验，连续操作三次之后，磷去除率为60％。材料可再生使用，溶出的磷酸盐可再次用作磷肥使用。
Claims (10)
1.一种赤泥基吸附剂的制备方法，其特征在于：将赤泥进行焙烧反应Ⅰ，得到焙烧赤泥；将所述焙烧赤泥与净水厂污泥、水玻璃及水混合制粒，得到生料颗粒；将所述生料颗粒依次进行蒸汽养护处理和焙烧反应Ⅱ，即得。
2.根据权利要求1所述的一种赤泥基吸附剂的制备方法，其特征在于：所述焙烧反应Ⅰ的条件为：温度为600～850℃，时间为1～3h。
3.根据权利要求1或2所述的一种赤泥基吸附剂的制备方法，其特征在于：所述焙烧赤泥、净水厂污泥以及水玻璃的质量份比为70～90：10～30：5～15。
4.根据权利要求1或2所述的一种赤泥基吸附剂的制备方法，其特征在于：所述水玻璃的模数为2～3.0。
5.根据权利要求1所述的一种赤泥基吸附剂的制备方法，其特征在于：所述水的质量为焙烧赤泥、净水厂污泥和水玻璃总质量的0.4～0.6倍。
6.根据权利要求1或5所述的一种赤泥基吸附剂的制备方法，其特征在于：所述生料颗粒的尺寸大小为10～15mm。
7.根据权利要求1所述的一种赤泥基吸附剂的制备方法，其特征在于：所述蒸汽养护处理条件为：温度为50～70℃，时间为24～60h。
8.根据权利要求1所述的一种赤泥基吸附剂的制备方法，其特征在于：所述焙烧反应Ⅱ的条件为：温度为300～500℃，时间为2～4h。
9.一种赤泥基吸附剂，其特征在于：由权利要求1～8中任何一项所述的方法制备得到。
10.权利要求9所述的一种赤泥基吸附剂的应用，其特征在于：作为吸附材料应用吸附水体中的磷物质。
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