解胶剂对含铬铝泥中铬的分离效率影响_谢静.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):02204-07科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-04-03;修订日期:2022-11-16基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(2019kfyXKJC054)第一作者:谢静(1965)，女，汉族，湖北武汉人，硕士，高级工程师。研究方向:环境化学。E-mail:1416747322 qq com。*通信作者:黄浩(1990)，男，汉族，湖北广水人，博士，讲师。研究方向:高级氧化技术。E-mail:huanghao hust edu cn。引用格式:谢静，陈胜娴，刘丹，等 解胶剂对含铬铝泥中铬的分离效率影响 J 科学技术与工程，2023，23(5):2204-2210Xie Jing，Chen Shengxian，Liu Dan，et al Effect of dispergators on the separation of chromium from aluminum residue J Science Technologyand Engineering，2023，23(5):2204-2210环境科学、安全科学解胶剂对含铬铝泥中铬的分离效率影响谢静1，陈胜娴2，3，刘丹4，黄浩2*，胡辉2(1 中国地质大学(武汉)材料与化学学院，武汉 430074;2 华中科技大学环境科学与工程学院，武汉 430074;3 东莞市生态环境局黄江分局，东莞 523516;4 湖北省生态环境科学研究院，武汉 430072)摘要无钙焙烧生产铬盐工艺中产生的副产物铝泥中含有重金属铬，严重影响了铝泥后续的资源化利用。为了高效去除含铬铝泥中的铬，通过开展 4 种不同解胶剂对铬的分离效果实验，采用单一变量法系统性探索了固液比、解胶剂添加量和反应温度等因素对铝泥脱铬效率的影响。结果表明:当解胶剂 Na2CO3、NaHCO3和聚丙烯酰胺(PAM)的固液比 1 5、聚乙二醇(PEG-400)为 1 15 时，铬的去除效率最佳，同时升高反应温度有利于铝泥中铬的分离。无机和有机解胶剂联合作用后，Na2CO3 PEG-400 在 4 1 的比例下除铬效率可达 95.27%。X 射线衍射分析(X-ray diffraction，XD)结果显示，风干后的铝泥呈无定型胶体态，铝泥中铬主要以 CrO2 4形式附着在铝泥表面，而经过解胶后的铝泥胶体由无定型态转变为具有晶体结构的拟薄水铝石-AlOOH。研究结果将对含铬铝泥中铬的分离工艺优化提供技术参考。关键词含铬铝泥;高效除铬;解胶剂;参数比选中图法分类号X781;文献标志码AEffect of Dispergators on the Separation ofChromium from Aluminum esidueXIE Jing1，CHEN Sheng-xian2，3，LIU Dan4，HUANG Hao2*，HU Hui2(1 Faculty of Materials Science and Chemistry，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China;2 School of Environmental Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China;3 Bureau of Ecology and Environment of Huangjiang Branch in Dongguan，Dongguan 523516，China;4 Hubei Provincial Academy of Eco-Environmental Sciences，Wuhan 430072，China)Abstract The by-product aluminum residue produced from the calcium-free roasting process contains amount of chromium，whichseriously affects its reutilization In order to remove chromium from aluminum residue，four kinds of dispergators were selected to inves-tigate their effects on the chromium removal A single variable method was used to systematically study the effects of solid-liquid ratio，dispergator addition and reaction temperature on the chromium removal efficiency esults indicate that the optimal solid-liquid ratios ofNa2CO3，NaHCO3and polyacrylamide(PAM)are 1 5 and polyethylene glycol 400(PEG-400)is 1 15 The rising reaction tempera-ture can improve the chromium removal efficiency，and it can reach 95.27%by Na2CO3and PEG-400 mixture at the ratio of 4 1X-rays diffraction(XD)analysis shows that the chromium in the dried aluminum residue mainly in the form of CrO2 4，and thedebonded aluminum residue changes from amorphous to pseudo-boehmite-AlOOH with crystalline structure esults of this researchwill provide technical reference for the optimization of the chromium separation from chromium-containing aluminum residue Keywords chromium-containing aluminum residue;chromium separation;dispergators;parameter filtering含铬矿石通过加工和提炼，可生产十多种铬及其化合物(铬盐)，已广泛应用于耐火材料、玻璃、媒染、电镀、制革、电池、纺织等工业生产，是国民经济发展必不可少的重要产品1-2。有钙焙烧和无钙焙烧等氧化焙烧法都是常见的铬盐生产工艺，与无钙焙烧相比，有钙焙烧由于加入石灰等钙质填料，造成含铬废渣的产量大幅增加，形成严重的固废污染3-4。工信部、财政部在铬盐行业清洁生产实施计划 中指出，2013 年底前全面淘汰有钙焙烧落后生产工艺，推广无钙焙烧、液相氧化法等清洁生产投稿网址:www stae com cn工艺5。氧化焙烧过程中，铬铁矿与纯碱发生主反应生成铬酸钠的同时，伴随着纯碱与铬铁矿内的杂质氧化铝反应生成铝酸钠的副反应。在该除铝工序中，产生的氢氧化铝具有很强的胶体性质，而且伴有含铬化学物(Na2CrO4或 Na2Cr2O7 2H2O)生成。因此，含铬铝泥的处理是铬盐行业中的重要难题 6-8。随着铬盐生产的发展，导致副产品铝泥增多，如何科学合理地对铝泥加以开发利用，已成为各大铬盐行业面临的重大问题。传统的铝泥处理方式主要是填埋，不仅占有大量土地，而且存在污染隐患，造成资源浪费和环境污染9-10。科研工作者对含铬铝泥回收利用做了大量研究，包括烘干浸取法、化学回收法、以及水洗除铬联合拜耳法生产氧化铝等11-13。烘干浸取法操作简单，适用于含铬量较高的铝泥，且铬的回收率较高，但是采用高温焙烧脱水，其操作劳动强度大，而且烘焙烟尘将产生二次污染，残渣中的铝没有得到充分的利用14。化学回收法由于沉淀剂磷酸的加入，破坏了 Al(OH)3的胶态结构，从而改变了铝泥的基本成分和过滤性能，并能将铝泥中的铬进行有效分离，但是该工艺方法的铝铬分离的生产成本高，而且操作条件不易控制15-16。鉴于干基含铬铝泥中铝含量与生产铝锭的铝土矿工业品质相近，有学者采用传统拜耳法利用铝泥生产铝锭产品。然而，该工艺在回收铬铝资源的同时，同样会产生大量的污染性赤泥17。上述包括烘干浸取法、化学回收法和水洗除铬联合拜耳法等生产氧化铝的方法具有显著的共同特点 破坏铝泥中铝的胶体结构，使六价铬从铝泥的胶体网格结构中释放出来，在实现铝泥中铝与铬分离的基础上，利用铝泥资源。近年的研究主要集中在含铬铝泥中铬的分离和铝泥的回用上，而对于分离前后铬的形态变化缺乏深入的研究。同时，现有研究通常采用单一解胶剂进行脱铬实验，而充分利用无机和有机解胶剂联合共同作用的研究相对较少。现选取包括无机和有机解胶剂等可以破坏含铬铝泥胶体状的解胶剂，并研究相关因素对铝泥中铬的分离的影响，在回收有害的六价铬的同时回收其中的有价成分氢氧化铝，真正实现含铬铝泥的综合利用。开展含铬铝泥中铬的分离技术研究和开发，回收含铬铝泥中的铬和氧化铝，以期对中国铬盐工业发展提供实际应用价值。1实验部分1.1实验材料实验所用的含铬铝泥取自湖北省某铬盐生产企业。分别称取一定量的新鲜铝泥进行含水率分析和 pH 检测，结果得出新鲜铝泥的含水率为68.7%，pH 为 8.57，呈弱碱性。为确定铝泥样品中铝和铬元素的赋存形式，对铝泥样品进行 X 射线衍射(X-ray diffraction，XD)分析和傅立叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectrometer，FT-I)分析。图 1(a)是铝泥样品经过自然风干和 800 焙烧后 XD 图谱，图 1(b)为铝泥样品的 FT-I谱图。自然风干的铝泥样品焙烧前无明显特征峰，说明原铝泥 A 为无定型胶态。经过 800 焙烧后，XD 图谱中在 37.6、39.5、45.8、60.3、67.0位置出 现 特 征 峰。焙 烧 后 的 铝 泥 的 主 要 物 相 为-Al2O318。由此可知，焙烧后铝泥发生化学反应生成了 Al2O3，使胶体形态发生变化。同时，在 32.2上发现铬元素的特征峰，分析得出铬的主要赋存形式为 Ca4Al2O6CrO4，这是铬以固溶体的形式存在于氧化铝晶格中的表现形式。铝泥的 FT-I 谱图出现 10 个吸收峰，中心分别位于 3 417、2 093、1 635、1 547、1 390、1 070、885、750、620 和 479 cm1，位于3 417 cm1宽振动峰是源图 1铝泥表征结果图Fig.1XD and FT-I pattern of aluminum residue50222023，23(5)谢静，等:解胶剂对含铬铝泥中铬的分离效率影响投稿网址:www stae com cn于水分子中的OH 的伸缩振动，1 635 cm1为物理吸附水的变形弯曲振动吸收峰，2 093 cm1处出现一个较弱峰和 620 cm1的较强峰均归因于 AlOH 的伸缩振动。而1 070 cm1的较强峰则是由AlOH的弯曲振动引起的，1 390 cm1对应的是 SO 对称伸缩峰。在750 cm1和885 cm1均出现一个弱吸收峰，它们都属于 CrO2 4的特征峰。在 479 cm1处的较强峰是因为 V2O4 7的 VO 键键角的变形振动造成的。说明铝泥