聚硅酸铁絮凝剂的制备方法及重金属污泥的资源化处理方法

　　申请日2017.08.03

　　公开(公告)日2017.10.03

　　IPC分类号C02F11/00; C02F1/52; C01B33/20; C01G11/02; C01G21/21; C02F101/20

　　摘要

　　本发明公开了一种以含铁重金属污泥为原料的聚硅酸铁絮凝剂的制备方法及重金属污泥的资源化处理方法，属于环保技术领域。通过废酸液溶解重金属污泥，添加硫化物去除溶解液中的镉、铅离子，得到络合沉淀物和含铁絮凝剂制备液;再用氨浸法处理络合沉淀物，得到含镉的氨浸液和氨浸残渣，在氨浸液中加入硫化物得到硫化镉沉淀，氨浸残渣则可作为铅粗矿处置;在含铁絮凝剂制备液中补充氯化亚铁后加入硅酸钠和氯酸钠充分混合，调节盐基度并反应后静置熟化得到熟化液，继而得到聚硅酸铁絮凝剂。本发明所制得的絮凝剂处理效果好、沉降速度快、絮凝剂用量少，且生产流程简单，可以实现重金属污泥的减量化、无害化和资源化，具有良好的经济效益和环境效益。

　　权利要求书

　　1.一种以含铁重金属污泥为原料的聚硅酸铁絮凝剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

　　(1)按照工业废酸和重金属污泥的质量比为(4～6):1，向重金属污泥中加入工业废酸，溶解含铁的重金属污泥后，将pH调节至6.0～6.5，在溶解液中加入硫化物，使污泥中的重金属镉、铅离子成为络合沉淀物，固液分离后的溶液作为絮凝剂制备液;

　　(2)将步骤(1)得到的絮凝剂制备液，添加适量的氯化亚铁并充分混合;

　　(3)按总铁、硅酸钠和氯酸钠的物质的量之比为1:(0.03～0.05):(0.15～0.18)，向步骤(2)所得混合溶液中加入硅酸钠和氯酸钠充分混合;

　　(4)向步骤(3)所得混合溶液中加入氢氧化物调盐基度至5%～30%，所述氢氧化物种类为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种;

　　(5)将步骤(4)所得溶液利用搅拌装置进行搅拌，反应一段时间后静置熟化12～24h得到聚硅酸铁絮凝剂。

　　2.根据权利要求1所述的以含铁重金属污泥为原料的聚硅酸铁絮凝剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的工业废酸为废盐酸、废硫酸、废硝酸中的一种或两种及两种以上混合酸，所述硫化物为N,N-二甲基氨基二硫代甲酸钠、N,N-二乙基氨基二硫代甲酸钠或其衍生物，硫化物添加量按照硫的物质的量与铅镉的总物质的量之比为(4～5):1进行计算。

　　3.根据权利要求1所述的以含铁重金属污泥为原料的聚硅酸铁絮凝剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)添加氯化亚铁之后，混合溶液的总铁含量占混合溶液的质量分数为9%～10%。

　　4.根据权利要求1所述的以含铁重金属污泥为原料的聚硅酸铁絮凝剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的硅酸钠和氯酸钠采用边搅拌边投加方式，加料时间为60min，搅拌速度为300～450r/min。

　　5.根据权利要求1所述的以含铁重金属污泥为原料的聚硅酸铁絮凝剂的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述搅拌器的转速为300～450r/min，反应时间为60～120min。

　　6.根据权利要求1所述的以含铁重金属污泥为原料的聚硅酸铁絮凝剂的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述熟化液的密度≥1.2g/cm3。

　　7.一种含铁重金属污泥的资源化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

　　(1)按照工业废酸和重金属污泥的质量比为(4～6):1，向重金属污泥中加入工业废酸，溶解含铁的重金属污泥后，在溶解液中加入硫化物，硫化物的种类包括N,N-二甲基氨基二硫代甲酸钠、N,N-二乙基氨基二硫代甲酸钠或其衍生物，硫化物添加量按照硫的物质的量与铅镉的总物质的量之比为(4～5):1进行计算，使污泥中的重金属镉、铅离子成为络合沉淀物，固液分离后的溶液作为絮凝剂制备液，使用权利要求1～6任意一项所述的步骤制备聚硅酸铁絮凝剂;

　　(2)将步骤(1)中得到的络合沉淀物，添加氨水和铵盐的复合体系，经过搅拌60～120min，静置后得到氨浸液和氨浸残渣;

　　(3)将步骤(2)得到的氨浸液pH调节至6.0～6.5，然后加入硫化物，得到硫化镉沉淀，析出干燥后，得硫化镉;

　　(4)将步骤(2)得到的氨浸残渣作为铅粗矿处置。

　　8.根据权利要求7所述的含铁重金属污泥的资源化处理方法，其特征在于，所述重金属污泥中必须含铁，且必须含镉和铅中的一种或两种。

　　9.根据权利要求7所述的含铁重金属污泥的资源化处理方法，其特征在于，所述步骤(2)中的铵盐为碳酸铵、氯化铵、硫酸铵的一种或两种及两种以上混合，所述氨水的浓度为2～6mol/L，铵盐的浓度为0.5～1.5mol/L，氨浸的温度为30～60℃，浸出时间为120～150min。

　　10.根据权利要求7所述的含铁重金属污泥的资源化处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中的硫化物的种类为N,N-二甲基氨基二硫代甲酸钠、N,N-二乙基氨基二硫代甲酸钠或其衍生物，硫化物添加量按照硫与镉的物质的量之比为(4～5):1进行计算。

　　说明书

　　一种以含铁重金属污泥为原料的聚硅酸铁絮凝剂的制备方法及重金属污泥的资源化处理方法

　　技术领域

　　本发明属于环保技术领域，更具体地说，涉及一种以含铁重金属污泥为原料的聚硅酸铁复合絮凝剂的制备方法及重金属污泥的资源化处理方法。

　　背景技术

　　随着我国经济的快速发展，工业企业在生产过程中产生的含重金属污泥成为处理难题，将污泥直接处理存在处理成本高，能源消耗大等问题，且对于处理后的重金属元素无法进行资源化处置，造成大量重金属元素的浪费;通过用工业废酸液溶解含重金属污泥，利用硫化物沉淀法处理溶解液，再对沉淀后的络合沉淀物进行分离处理，最后对分离后的污泥进行资源化处理，这样虽然能解决硫化物污泥的处理成本高和能源消耗大的问题，但对于溶液的资源化问题仍无法改善。

　　经检索，目前对于含重金属的污泥资源化研究较少。其中，公开日为2003年8月20日的中国专利02103187.8公开了重金属污泥的结晶处理方法及其装置。该专利主要是通过电化学氧化还原以及结晶的原理，通过溶提、浓缩、结晶等步骤处理重金属污泥，经过溶提分离出来的重金属溶液则通过浓缩结晶的方式实现资源化回收利用，剩余污泥则作为普通污泥处置。该方法虽然可以将重金属从污泥中分离回收利用，但对于多种重金属的污泥而言，在溶提的过程中无法实现多种重金属的分离，结晶的运行成本会增加，操作复杂，也会出现晶体不纯的问题。

　　又如，公开日为2011年5月4日的中国专利201010541598.7公开了含重金属污泥的资源化处理方法，该专利是先用酸液浸出含重金属污泥中的重金属离子，用超声波处理酸浸液后对沉淀物和溶液进行分离，分离后的溶液通过氧化结晶的方法制备铁氧体，沉淀通过洗涤和干燥后制备成石膏。该发明所采用的氧化结晶的方法虽然可以实现溶液的资源化目标，但运行成本高，操作复杂，难以达到经济化。

　　絮凝处理是水处理中最常见的处理方式，聚铁絮凝剂在水处理过程中适用范围广、形成的“矾花”大、絮体紧实，且对COD、浊度和微生物等都有良好的去除效果，但色度去除效果差;无机高分子絮凝剂中，聚硅酸盐类絮凝剂的絮凝效果和色度去除效果更为优异，将聚硅酸盐和铁盐结合能达到更好的处理效果。而且聚硅酸铁絮凝剂中以铁和二氧化硅为主体，不存在对人体和环境有害的铝元素，其效果优于铝盐絮凝剂。

　　在实际生产过程中发现，针对不同的无机酸、氧化剂和稳定剂，不同的投加量及投加方式会对Fe的转化率、稳定性、絮凝效果产生很大影响。经检索，有不少现有技术中涉及到聚硅酸铁絮凝剂的制备方法。如，公开日为2013年2月27日的中国专利201210524138.2公开了一种聚铁絮凝剂的制备工艺，其步骤为，将过量铁屑与盐酸反应，反应完全后滤掉未反应的铁屑，得氯化亚铁溶液，其中盐酸的摩尔浓度大于6mol/L小于10mol/L;在氯化亚铁溶液中加入氯酸钾，同时在高速搅拌状态缓慢加聚硅酸溶液，得到聚铁絮凝剂，其中氯化亚铁与氯酸钾的物质的量之比为(5.5～6)：1，聚硅酸溶液的加入速率为10～30mL/min。该工艺路线简单，副反应少，反应条件温和，成本容易控制，产物较为纯净。但仍存在的问题是该专利以铁屑作为原料只考虑到铁元素的存在，在制备絮凝剂的过程中没有考虑其他重金属的干扰，无法处理含有多种重金属干扰的重金属污泥。

　　又如，公开日为2014年5月7日的中国专利201410048666.4公开了一种聚合氯化硫酸锌铁絮凝剂的制备方法，包括以下步骤：1)按照Cl/Fe的物质的量之比为(1.12～1.20)：1的比例，将工业盐酸加入七水硫酸亚铁中，在50～80℃下搅拌下溶解进行酸化;2)按照NaClO3/Fe的物质的量之比为(0.166～0.172)：1的比例，在搅拌下以1mL/min的速度加入NaClO3水溶液进行氧化，所述NaClO3水溶液的质量百分浓度为40～45%;3)按照Zn/Fe的物质的量之比为1：6～9的比例，在步骤2)中缓慢加入七水硫酸锌，搅拌溶解并聚合反应20～30min，得到聚合氯化硫酸锌铁液体，并继续搅拌;4)在步骤3)中加入缓慢聚硅酸溶液，在60～80℃下搅拌混合均匀，然后在搅拌条件下加入NaHCO3固体，加入量OH/Fe比0.2～0.4;其中NaHCO3固体的加入速度为0.1～0.8g/min;5)待步骤4)完成后，继续以60r/min的速度搅拌反应60～90min;最后，在常温下静置1d，即得聚合氯化硫酸锌铁絮凝剂。该发明的絮凝剂有效成分全铁含量较高，无潜在危害元素，以有益元素锌作为配合物，聚硅酸作为稳定剂和助凝剂参与制备和絮凝反应过程。实验表明，絮凝剂能有效用于给水和污水处理，对浊度、化学需氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)和藻类废水中的藻和叶绿素a具有很强的去除作用。但仍存在的问题是该专利以硫酸亚铁为原料，整个制备过程中只有铁元素没有其余重金属，若处理含有多种重金属的污泥，需要经过处理后才能达到实际效果。

　　发明内容

　　1.要解决的问题

　　针对现有重金属污泥处理成本高、能源消耗大、处理过程复杂以及制备聚硅酸铁絮凝剂成本高、制备过程复杂、所得絮凝剂效果不好的问题，本发明提供一种以含铁重金属污泥为原料的制备聚硅酸铁复合絮凝剂的方法及重金属污泥的资源化处理方法，为了克服现有技术的不足，本发明通过工业废酸溶解含铁重金属污泥制备聚硅酸铁絮凝剂，同时实现重金属污泥的减量化、无害化和资源化。

　　2.技术方案

　　为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

　　一种以含铁重金属污泥为原料的聚硅酸铁絮凝剂的制备方法，包括以下步骤：

　　(2)将步骤(1)得到的絮凝剂制备液，添加适量的氯化亚铁并充分混合;

　　(3)按总铁、硅酸钠和氯酸钠的物质的量之比为1:(0.03～0.05):(0.15～0.18)，向步骤(2)所得混合溶液中加入硅酸钠和氯酸钠充分混合;

　　(4)向步骤(3)所得混合溶液中加入氢氧化物调盐基度至5%～30%，所述氢氧化物种类为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种;

　　(5)将步骤(4)所得溶液利用搅拌装置进行搅拌，反应一段时间后静置熟化12～24h得到聚硅酸铁絮凝剂。

　　更进一步地，所述步骤(1)中的工业废酸为废盐酸、废硫酸、废硝酸中的一种或两种及两种以上混合酸，所述硫化物为N,N-二甲基氨基二硫代甲酸钠、N,N-二乙基氨基二硫代甲酸钠或其衍生物，硫化物添加量按照硫的物质的量与铅镉的总物质的量之比为(4～5):1进行计算。

　　更进一步地，所述步骤(2)添加氯化亚铁之后，混合溶液的总铁含量占混合溶液的质量分数为9%～10%。

　　更进一步地，所述步骤(3)中的硅酸钠和氯酸钠采用边搅拌边投加方式，加料时间为60min，搅拌速度为300～450r/min。

　　更进一步地，步骤(5)中所述搅拌器的转速为300～450r/min，反应时间为60～120min。

　　更进一步地，步骤(5)中所述熟化液的密度≥1.2g/cm3。

　　一种含铁重金属污泥的资源化处理方法，包括以下步骤：

　　(2)将步骤(1)中得到的络合沉淀物，添加氨水和铵盐的复合体系，经过搅拌60～120min，静置后得到氨浸液和氨浸残渣;

　　(3)将步骤(2)得到的氨浸液pH调节至6.0～6.5，然后加入硫化物，得到硫化镉沉淀，析出干燥后，得硫化镉;

　　(4)将步骤(2)得到的氨浸残渣作为铅粗矿处置。

　　更进一步地，所述重金属污泥中必须含铁，且必须含镉和铅中的一种或两种。

　　更进一步地，所述步骤(2)中的铵盐为碳酸铵、氯化铵、硫酸铵的一种或两种及两种以上混合，所述氨水的浓度为2～6mol/L，铵盐的浓度为0.5～1.5mol/L，氨浸的温度为30～60℃，浸出时间为120～150min。

　　更进一步地，所述步骤(3)中的硫化物的种类为N,N-二甲基氨基二硫代甲酸钠、N,N-二乙基氨基二硫代甲酸钠或其衍生物，硫化物添加量按照硫与镉的物质的量之比为(4～5):1进行计算。

　　3.有益效果

　　相比于现有技术，本发明的有益效果为：

　　(1)本专利的发明人针对重金属污泥的处理，经过大量的试验才找到适合的处理方法，即以含铁重金属污泥为原料，辅以工业废酸混合后，利用硫化和氨浸法对含有重金属的混合液进行减量化和资源化处理，再通过大量实验对去除其余重金属后的含铁溶液进行絮凝剂的制备，并加入氧化剂和硅酸盐，制备聚硅酸铁絮凝剂，提高絮凝剂的絮凝效果;

　　(2)本发明制备的聚硅酸铁复合絮凝剂是以硅酸钠和工业废酸液溶解重金属污泥硫化物沉淀后以及酸浸减量化后的氯化亚铁混合液为主要原料，以有机多硫代物为沉淀剂，使得重金属污泥中的其余重金属不会对后续絮凝剂的制备造成干扰;而且既解决了共处置后的资源化问题，产品附加值高，又避免了硫化氢气体的产生;

　　(3)氨浸重金属是较为常见的技术，但本发明的氨浸法是利用硫化镉和硫化铅在氨浸液中溶解性的不同来区分硫化镉和硫化铅，方便重金属的资源化利用;

　　(4)本发明用氨水和铵盐复合体系氨浸重金属络合沉淀物，得到含镉的氨浸液和氨浸残渣，调节含镉的氨浸液pH值后加入硫化物，得到硫化镉沉淀，氨浸残渣则可作为铅粗矿处置，实现污泥的减量化、无害化和资源化，产生了一定的环境效益、经济效益和社会效益;