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镁剂脱硫废水中硫酸根离子去除方法

发布时间:2020-01-19 浏览次数:6

随着工业的发展和能源消耗的加剧,热电厂广泛应用湿式氧化镁法烟气脱硫工艺,由此产生了大量镁剂烟气脱硫废水(SO42-质量浓度可达6 g/L),该废水若不经处理直接排放,将产生具有恶臭味和腐蚀性的H2S气体,严重危害人体和水体平衡 〔1〕。目前,去除水体中SO42-的方法主要有生物法和物化法。生物法存在启动时间较长,处理速度慢,效率低,有机物消耗量大等问题〔2〕。物化法(如化学沉淀法)主要是通过生成硫酸钙和硫酸钡去除SO42-,其中,硫酸钙法因产生的硫酸钙溶度积较高,处理效果差;而硫酸钡法则需投加钡盐,成本较高。因此,亟需开发一种快速、经济、有效地去除水体中SO42-的方法〔3, 4〕。

钙矾石〔简称AFt,分子式为Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O或3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O〕是水泥受硫酸盐侵蚀,在水化硬化过程中Al3+、Ca2+和SO42-相结合形成的不溶性针状晶体。该晶体在94~400 ℃之间失去结晶水而处于无定形状态,吸水后可迅速恢复原来的晶体结构,体积膨胀,可以做混凝土膨胀剂〔5, 6〕,是混凝土的重要研究项目之一〔7, 8〕。采用钙矾石沉淀法处理硫酸盐废水,不仅能快速、经济、有效地去除SO42-,而且Ca2+、Al3+残留量很低,无二次污染,生成的沉淀钙矾石可以做混凝土膨胀剂。王海鹰等〔9〕采用铝/钙复盐法脱除工业废水中的SO42-,沉淀物为钙矾石。研究表明,当反应温度为25 ℃,反应时间为1 h,溶液 pH 为11.0,n(SO42-)∶n(Al3+)为 1.1时,废水中的SO42-可由1 720 mg/L 降至100 mg/L 以下;各因素对处理效果的影响由大至小依次为溶液 pH>铝盐加入量>反应时间。

本研究尝试采用钙矾石沉淀法处理镁剂烟气脱硫废水中的硫酸盐,探讨了pH、铝盐投加量、反应时间、搅拌速度、废水初始浓度等因素对SO42-去除率的影响,及pH对Ca2+、Al3+残留量的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料

镁剂烟气脱硫废水取自某公司热电厂;Na2SO4、CaO、AlCl3,均为分析纯,购自广东西陇化工股份有限公司。

1.2 实验方法

通过ICP测定镁剂烟气脱硫废水中的离子组成及含量,先对废水进行共沉淀预处理,再对预处理后废水采用钙矾石沉淀法进行处理。钙矾石沉淀法实验步骤:取100 mL硫酸盐废水置于250 mL锥形瓶中,加入适量AlCl3,用CaO调节体系pH,恒温反应时间。反应结束后,用45 μm中性滤纸过滤出沉淀物,并分析滤液中SO42-含量,计算SO42-去除率。

1.3 分析方法

(1)电镜扫描与元素组成分析。采用扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)进行沉淀产物形貌及元素组成分析。SEM:JSM-5600LV(JEOL,日本),二子探测器,背电子探测器,电压20 kV,放大倍数为12 000倍;EDS:IE 300 X(Oxford,英国),Si(Li)薄窗,X射线探测器,全数字化脉冲处理器,Mn的Kα处的分辨率优于132 eV,可测元素范围4Be~92U。

(2)金属离子浓度分析。采用PE ICP-OES Opti-ma 2100(铂金埃尔默公司,)检测滤液中金属离子浓度。ICP-OES 工作参数:等离子气流量1.5L/min,辅助气流量0.2 L/min,雾化器流量0.80 L/min,径向观察高度15 mm,积分时间3 s(取3次测量平均值),射频功率 1 300 W。

(3)SO42-浓度分析。依据HJ/T342-2007,用铬酸钡分光光度法(紫外-可见分光光度计,ZUV-8000S)分析SO42-浓度。

2 结果与讨论

2.1 钙矾石的制备与表征

在条件下,Al3+、Ca2+和SO42-结合可形成不溶性钙矾石沉淀,反应遵循以下反应式:



将pH=11,n(Al3+)∶n(SO42-)=0.575条件下得到的沉淀物分别用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)进行表征,结果分别如图 1、表 1所示。


图 1 沉淀产物SEM

从图 1可以看出,沉淀物为针状钙矾石晶体〔10〕,直径约为100~300 nm,长度约为1~5μm.钙矾石晶体结构匀称,交错堆积在一起,结构疏松。

由表 1可知,n(Ca)∶n(Al)∶n(S)∶n(O)=6.17∶2∶ 2.98∶28.84,与钙矾石〔Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O〕中n(Ca)∶n(Al)∶n(S)∶n(O)=6∶2∶3∶50基本相符。其中,O元素含量的偏差较大,这与产物含水量有关;此外,元素分析中出现的少量C为CaCO3杂质干扰。

2.2 镁剂脱硫废水分析及预处理

镁剂烟气脱硫废水中主要含有高浓度的SO42-和Mg2+,以及少量Ca2+.经分析实验用镁剂烟气脱硫废水水质:SO42- 6 029 mg/L,Mg2+ 1 328 mg/L,Ca2+ 384 mg/L.

在水质分析基础上,对镁剂烟气脱硫废水进行预处理。预处理方法:于镁剂烟气脱硫废水中加入CaO,调节废水pH为12,并在转速300 r/min下反应约30 min,生成CaSO4(ksp=4.93×10-5)和Mg(OH)2 (ksp=1.2×10-11)共沉淀。反应式:

 


镁剂烟气脱硫废水经预处理后,其SO42-降至 2 086 mg/L,SO42-去除率达到65.40%.后续实验均采用预处理后的镁剂烟气脱硫废水作为研究对象,考察各因素对钙矾石沉淀法处理镁剂烟气脱硫废水效果的影响。

2.3 pH对SO42-去除率以及Ca2+、Al3+残留量的影响

研究表明,pH是形成〔Al(OH)6〕3-八面体的关键因素,且对Ca2+、Al3+残留量的影响很大。在AlCl3投加量为0.2 g,搅拌速度为300 r/min,反应时间为30 min的条件下,考察了pH对SO42-去除率以及Ca2+、Al3+残留量的影响,结果如图 2所示。

 图 2 pH对SO42-去除率及Ca2+、Al3+残留量的影响

实验结果表明,当pH≤10.0时,SO42-去除率较低,主要沉淀物为CaSO4;随着pH的进一步升高,〔Al( OH)6〕3-八面体逐渐生成,并结合Ca2+和SO42-形成钙矾石沉淀,SO42-去除率升高;当pH>11.0时,SO42-去除率的变化不大。

随着pH由9.0升高到11.0,废水中Ca2+、Al3+残留质量浓度分别由757、91 mg/L下降到220 、6.1 mg/L,Ca2+、Al3+残留量下降至低点;当pH>11.0时,Al3+残留量变化不大,但Ca2+残留量因过量加入的CaO而迅速增大。因此,在pH=11.0时,钙矾石沉淀法对废水中Ca2+、Al3+和SO42-的去除效果较好。

2.4 铝盐投加量对SO42-去除率的影响

钙矾石是由〔Al(OH)6〕3-八面体、铝氧八面体与钙多面体交替排列形成钙铝多面柱和SO42-进入柱间沟槽等过程串联形成。研究表明,〔Al(OH)6〕3-八面体的反应速率慢,为钙矾石形成的控制步骤,而液相中的Al3+是钙矾石形成速率的决定因素〔11〕。因此,铝盐投加量对钙矾石沉淀法去除SO42-具有很大影响。在pH=11.0,搅拌速度为300 r/min,反应时间为30 min的条件下,考察了铝盐投加量对SO42-去除率的影响,结果如图 3所示。

 图 3 铝盐投加量对SO42-去除率的影响

由图 3可知,当n(Al3+)∶n(SO42-)<0.65时,随着铝盐投加量的增加,SO42-去除率显着增大;当 n(Al3+)∶n(SO42-)=0.575时,SO42-去除率已达到90%以上。从工程实际成本考虑,铝盐投加量不宜过量太多,以n(Al3+)∶n(SO42-)=0.575为佳。

2.5 沉淀反应时间对SO42-去除率的影响

在n(Al3+)∶n(SO42-)=0.575,pH=11.0,搅拌速度为300 r/min的条件下,考察了反应时间对SO42-去除率的影响,结果如图 4所示。

 图 4 反应时间对SO42-去除率的影响

实验结果表明,钙矾石沉淀反应迅速,反应时间为4 min时,SO42-去除率已经达到79%;随着反应时间的进一步延长,SO42-去除率增加缓慢。当反应时间为10 min时,SO42-去除率已经达到92.1%,此时Ca2+、Al3+残留质量浓度分别为187 、4 mg/L.

2.6 搅拌速度对SO42-去除率的影响

在n(Al3+)∶n(SO42-)=0.575,pH=11.0,反应时间为10 min的条件下,考察了搅拌速度对SO42-去除率的影响,结果如图 5所示。

 图 5 搅拌速度对SO42-去除率的影响

由图 5可知,搅拌速度对SO42-去除率有较为明显的影响。搅拌速度偏高(600 r/min)或者偏低(100 r/min)都会使SO42-去除率下降,这是因为搅拌速度过高会破坏钙矾石的结晶,而搅拌速度太慢又会影响溶液的传质过程,不利于阴阳离子及时结合。搅拌速度应控制在300 r/min。

2.7 SO42-初始浓度对SO42-去除率的影响

在n(Al3+)∶n(SO42-)=0.575,pH=11.0,反应时间为10 min,转速为300 r/min的条件下,考察了SO42-初始浓度对SO42-去除率的影响,结果如图 6所示。

 图 6 SO42-初始浓度对SO42-去除率的影响

由图 6可知,随着SO42-初始浓度的增加,SO42-去除率增大。当SO42-初始质量浓度由500 mg/L 增至5 000 mg/L时,SO42-去除率由82.6%上升至96.0%,但同时出水中剩余SO42-质量浓度由87 mg/L上升至191 mg/L.实验结果表明,钙矾石沉淀法对于初始SO42-质量浓度为2 500~5 000 mg/L的废水具有较好的处理效果。但从废水达标排放的角度考虑,还是需要在较低的SO42-浓度下处理废水,即废水的预处理是的。

3 结论

(1)以钙矾石沉淀法处理经过预处理的镁剂脱硫废水,当SO42-初始质量浓度为2 086 mg/L,n(Al3+)∶n(SO42-)=0.575,pH=11.0,反应时间为10 min,转速为300 r/min时,SO42-去除率可达到92.1%,Ca2+、Al3+残留质量浓度分别为187、4 mg/L。

(2)钙矾石沉淀法具有反应时间短、操作简单、适用范围广、去除效果好等优点,处理后水中Ca2+、Al3+残留量很低,无二次污染,是一种快速、经济、有效的去除SO42-的方法,且生成的沉淀钙矾石可以做混凝土膨胀剂。钙矾石沉淀法在硫酸盐废水处理领域具有很好的应用前景。


      布袋除尘器又称袋式除尘器,它是一种除尘装置,而且除尘效率很高。还有其他除尘装置,比如电除尘。两者各有优点,那么它们的区别在哪里呢?  1、布袋除尘器什么粉尘都能过滤,不受粉尘属性影响过滤效率。电除尘受粉尘比电阻影大,当灰尘的比电阻过10Λ10Ω·cm(10的10次方)电除尘器的性能就会随着比电阻的增加而降低。主要是由于比电阻过高容易形成反电晕现象,使电除尘的效率降低。  2、电除尘:含尘气体经过高压静电场时被电分离,尘粒与负离子结合带上负电后,趋向阳表面放电而沉积;利用静电场使气体电离从而使尘粒带电吸附到电上的收尘方法。而布袋除尘呢:含尘气体由进气口进入灰斗或通过敞开法兰口进入滤袋室,含尘气体透过滤袋过滤为净气进入净气室,再经净气室排气口,后由风机排走。  布袋除尘器的优点:除尘效率高,一般都在百分之九十九以上,结构简单,操作方便,在相同的除尘效率下,比电除尘投资低,对于粉尘的特性不敏感,气量处理大。缺点是:在适于在高温状态下工作, 粉尘易粘袋堵袋,造成布袋清灰困难,阻力升高,过早的失效损坏,不能在结露的情况下使用。  电除尘的优点是:适用于微粒控制,效率可达到百分之九十八到百分之九十九,可以处理高温下的气体,适用于大型的工程,处理风量越大,它的效果越明显。在电除尘器内,尘粒从气流中分离的能量,不是供给气流,而是直接供给尘粒的,所以,和其它的除尘器相比,电除尘器的阻力较低。缺点是:设备庞大,占地面积大,耗用钢材多,一次性投资大,结构复杂,制造安装的精度高,对粉尘的比电阻也有的要求。  布袋除尘器良久以前就已广泛应用于各个产业部分中,用以捕集非粘结非纤维性的产业粉尘和挥发物,捕捉粉尘微粒可达0.1微米。但是,当用它处理含有水蒸汽的气体时,应避免泛起结露题目。袋式除尘用具有很高的净化效率,就是捕集细微的粉尘效率也可达99%以上,而且其效率比高。  电除尘器的主体结构是钢结构,全部由型钢焊接而成(如图10—所示),外表面覆盖蒙皮(薄钢板)和保温材料,为了设计制造和安装的方便。它的工作原理是烟气通过电除尘器主体结构前的烟道时,使其烟尘带正电荷,然后烟气进入设置多层阴板的电除尘器通道。  关于上面所说的,有关布袋除尘与电除尘的区别在于哪些的相关知识就介绍到这里,如果还有其他疑问,可以到本公司的网站进行有关询问。 车间除尘 锅炉除尘 锅炉除尘 车间除尘 锅炉除尘 布袋除尘 除尘配件 锅炉除尘 布袋除尘 车间除尘