循环流化床粉煤灰有价元素梯级利用研究

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煤矸石作为煤炭开采过程中产生的固体废弃物,是我国排放量最大的工业固废之一。2014年我国颁布《煤矸石综合利用管理办法(2014年修订版)》,倡导内蒙古、山西、陕西和河南等主要产煤省份根据煤矸石资源量合理配备循环流化床(CFB)锅炉发电机组,利用煤矸石进行燃烧发电,不仅实现了煤矸石的大宗利用,而且缓解了煤矸石堆存带来的环境压力。作为煤矸石燃烧后产生的固体废弃物,循环流化床粉煤灰(CFB粉煤灰)的排放量逐年增长,由于CFB粉煤灰理化性质的特殊性,导致其综合利用率较低,未利用的CFB粉煤灰大量堆积,严重地威胁生态环境。山西北部和内蒙古东部地区煤矸石中富含铝、锂和镓等有价元素,在燃烧过程中有价元素进一步富集在粉煤灰中,因此,这些地区所产生CFB粉煤灰中的铝、锂和镓等有价金属可以作为重要的资源。为提高CFB粉煤灰中有价元素的利用率,大多数研究主要通过酸浸法来实现CFB粉煤灰中铝、锂和镓等有价元素的浸出,但对于酸浸过程中浸出条件对有价元素浸出行为的影响尚不明确,并且仍存在酸浸完成后产生二次固体废弃物酸浸渣的问题。CFB粉煤灰中铝、锂和镓等有价元素在浸出过程中,浸出渣颗粒会产生大量的介孔结构。因此,浸出渣可用于制备多孔吸附材料。本论文将CFB粉煤灰中有价元素提取与介孔材料制备相结合,既实现了CFB粉煤灰的高值化利用,又达到了“资源化、减量化、无害化”的要求。基于此,本论文研究了CFB粉煤灰中铝、锂和镓在盐酸溶液中的浸出行为,并利用其浸出渣制备多孔吸附材料,考察了吸附材料对废水中亚甲基蓝和Pb2+的吸附性能,得到以下主要结论:(1)CFB粉煤灰经机械活化后,利用酸(HCl溶液)-碱(NaOH溶液)-酸(HCl溶液)交替梯级浸出的方法,在最佳浸出条件下,灰中铝、锂和镓等元素总浸出率分别为83%、78%和69%。以上元素的浸出过程均符合未反应缩核芯模型,在第一次盐酸处理过程的前20分钟,元素的浸出速率主要由表面化学反应控制,20分钟之后主要由H+扩散控制;碱处理和第二次盐酸处理过程中硅和铝的浸出则分别由OH-和H+的扩散控制。(2)在酸浸过程中,随着CFB粉煤灰中铝、锂和镓等有价元素的浸出,灰颗粒中会形成很多狭缝状的介孔结构,最终二酸渣的比表面积从原灰的12 m2/g增加到273 m2/g,可用于模拟废水中亚甲基蓝的吸附。最佳吸附条件下,二酸渣对模拟废水中亚甲基蓝的最大吸附量为140 mg/g。二酸渣对模拟废水中亚甲基蓝的吸附符合Langmuir模型和拟二级动力学模型,表明该过程主要以单层化学吸附为主。(3)以一酸渣为原料,通过碱(NaOH)溶液水热合成的方法制备了沸石吸附材料,并将其用于吸附水溶液中的Pb2+。材料中Na-P1型沸石的含量和材料的微观形貌是影响其Pb2+吸附量的主要因素。利用一次酸浸渣制备沸石吸附材料的最佳合成条件为:水热温度110℃、水热时间9 h、一酸渣质量10 g、CTAB添加量1 g、氢氧化钠浓度2 mol/L和氢氧化钠溶液体积100 m L。在Pb2+初始浓度为300 mg/L、吸附剂投加量为0.2 g/L、p H值为6和吸附时间为60 min的条件下,沸石吸附材料对Pb2+的吸附量为424.69 mg/g。当模拟废水中Pb2+的初始浓度为100~300 mg/L时,选用少量的吸附剂投加量就可以实现99%以上Pb2+的去除。沸石材料对模拟废水中Pb2+的吸附符合Langmuir模型和拟二级动力学模型,表明该吸附过程主要以单层化学吸附为主;吸附平衡时间随温度的升高而逐渐缩短,说明升高温度有助于吸附的进行,吸附过程是吸热的。XPS分析表明,沸石材料对水溶液中Pb2+的吸附机理主要为Pb2+与Na+之间的离子交换。因此,利用CFB粉煤灰酸浸渣合成沸石吸附材料用于弱酸或中性水溶液中Pb2+的去除是一种经济有效的利用方式。
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