公布日：2023.10.24
申请日：2023.07.06
分类号：C01B25/01(2006.01)I
摘要
本发明提供一种污泥焚烧灰资源化利用的方法，属于固废资源化利用领域。利用超临界二氧化碳和亚临界水从焚烧污泥灰中提取磷，包括以下步骤：(1)将污泥焚烧灰和水加入反应容器中，封闭反应容器并抽真空，排出反应容器空间内的空气；(2)向反应容器中注入二氧化碳并升温至预设温度和压力，保持预设温度和压力足够时间，使污泥焚烧灰在二氧化碳和水的作用下充分反应；(3)反应容器降温泄压，产物固液分离并收集固相物，并将固相物干燥；(4)配置氢氧化钠水溶液，将干燥后的固相物和氢氧化钠水溶液混合，反应足够时间；(5)通过固液分离方法处理上步骤(4)产物，获得富含磷元素的提取液。
权利要求书
1.一种污泥焚烧灰资源化利用的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将污泥焚烧灰和水加入反应容器中，封闭反应容器并抽真空，排出反应容器空间内的空气；(2)向反应容器中注入二氧化碳并升温至预设温度和压力，保持预设温度和压力足够时间，使污泥焚烧灰在二氧化碳和水的作用下充分反应；(3)反应容器降温泄压，产物固液分离并收集固相物，并将固相物干燥；(4)配置氢氧化钠水溶液，将干燥后的固相物和氢氧化钠水溶液混合，反应足够时间；(5)通过固液分离方法处理上步骤(4)产物，获得富含磷元素的提取液。
2.根据权利要求1所述的一种污泥焚烧灰资源化利用的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，污泥焚烧灰来源为城市污泥焚烧厂或自配污泥焚烧生产线，污泥焚烧灰需要保证常温、干燥，颗粒最大粒径小于200微米；污泥焚烧灰和水的质量比为1:5～40。
3.根据权利要求1所述的一种污泥焚烧灰资源化利用的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，反应容器温度不低于304K，压力不低于7.3MPa，但需保证反应器中水处于亚临界状态且溶液pH值不小于3；反应时间不低于10分钟。
4.根据权利要求1所述的一种污泥焚烧灰资源化利用的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，氢氧化钠水溶液pH值在11-14之间；保证反应时间为1小时以上，固液质量比在1:5～40。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种污泥焚烧灰资源化利用的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，污泥焚烧灰和水的质量比为1:20。
6.根据权利要求1-4任一所述的一种污泥焚烧灰资源化利用的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，反应容器压力为8.7MPa，反应时间为2小时。
7.根据权利要求1-4任一所述的一种污泥焚烧灰资源化利用的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，氢氧化钠水溶液pH值为13；反应时间为2小时，固液质量比为1:10。
发明内容
针对目前污泥灰提磷技术，本发明提供一种利用超临界二氧化碳和亚临界水的方法处理污泥灰，来提高污泥灰磷提取效率低、耗时长，以及需要使用高危险化学物盐酸的技术缺陷。
为达成上述要求，本发明专利的技术方案如处理流程图1所示，具体描述为：
一种污泥焚烧灰资源化利用的方法，利用超临界二氧化碳和亚临界水从焚烧污泥灰中提取磷，包括以下步骤：
(1)将污泥焚烧灰和水加入反应容器中，封闭反应容器并抽真空，排出反应容器空间内的空气；
(2)向反应容器中注入二氧化碳并升温至预设温度和压力，保持预设温度和压力足够时间，使污泥焚烧灰在二氧化碳和水的作用下充分反应；
(3)反应容器降温泄压，产物固液分离并收集固相物，并将固相物干燥；
(4)配置氢氧化钠水溶液，将干燥后的固相物和氢氧化钠水溶液混合，反应足够时间；
(5)通过固液分离方法处理上步骤(4)产物，获得富含磷元素的提取液。
进一步地，所述步骤(1)中，污泥焚烧灰来源为城市污泥焚烧厂或自配污泥焚烧生产线。污泥焚烧灰需要保证常温、干燥，颗粒最大粒径小于200微米；污泥焚烧灰和水的质量比为1:5～40(优选为1:20)。
进一步地，所述步骤(2)中，反应容器温度不低于304K，压力不低于7.3MPa(优选为8.7MPa)，但需保证反应器中水处于亚临界状态且溶液pH值不小于3。反应时间不低于10分钟(优选为2小时)。
进一步地，所述步骤(4)中，氢氧化钠水溶液pH值在11-14之间(优选pH为13)；保证反应时间为1小时以上(优选为2小时)，固液质量比在1:5～40(优选为1:10)。
上述最优化方式中的建议参数无法做到最高效率提取污泥焚烧灰中的磷，但结合经济性和反应时间长度，建议参数下可以达到最优化效果。
本发明的有益效果：
1.本发明中提取磷的污泥来源于城市生活污水厂的焚烧废料，现有研究表明焚烧污泥灰的磷含量可达5～20％，几乎相当于低品位磷酸盐矿，以其为原料提取磷不但可以节省磷矿资源开采，避免因开矿造成的生态破坏，还可以变废为宝地实现焚烧污泥灰的资源化利用。
2.本发明中摒弃了盐酸处理焚烧污泥灰的步骤，利用超临界二氧化碳和亚临界水代替酸处理，避免了使用盐酸这种高危险化工原料，降低了生产过程中的风险。
3.将二氧化碳通入水溶液，并提高反应器温度和压力，达到二氧化碳的超临界状态和水的亚临界状态，极大提高了二氧化碳在水中的溶解度，电离出较多酸根离子，使环境酸性提高至pH为3左右状态，结合超临界二氧化碳兼具气体和液体的性质，能够同时溶解污泥灰中的其他易溶金属盐和部分有机盐，相比于盐酸处理，本发明的处理方法可以明显提高污泥灰中的孔隙率，强化后续碱溶液与污泥灰的反应表面积，提高反应效率。
4.污泥灰在超临界二氧化碳和亚临界水环境中发生自身磷组分迁移现象，从原本较为含量最多的Al-P、Fe-P、Ca-P绝大部分转化为Al-P，并以沉淀的形式保存在固相残渣中，并不会被溶解至溶液当中。
5.污泥灰经超临界二氧化碳和亚临界水处理后，绝大多数磷保留在固相残渣中，其余大量钙、铝、铁被溶解在溶液中，该处理过程使固相物中的磷更为聚集，同时去除了大量含钙、铝、铁的杂质。
6.酸溶液提取法中，浓酸溶液虽然可以较高效率地提取污泥灰中的磷，但同样会引入大量钙、铝、铁等杂质，使后续提取工艺更加繁琐，而本发明方法既可以保证较高提取效率，又能保证去除其他元素杂质，简化后续提取工艺。
7.NaOH溶液可以溶解污泥中的Al-P，形成可溶性含磷化合物，存在于浸出液当中，发生的化学反应如下：
AlPO4(s)+4OH-(aq)→PO43-+-
富磷溶液进一步提纯后可用于医药、食品、磷化工等各类行业。
8.由于已经去除了部分铝，相比于单纯使用NaOH提取污泥灰中的磷，经超临界二氧化碳和亚临界水处理后的污泥灰将消耗更少的NaOH，具有更高的经济效益。
（发明人：李爱民;石运鑫）