CN104817148A - 一种低污泥量的水处理用聚硅钛铁混凝剂及其制备技术 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供了一种水处理用高分子硅钙铁混凝剂的方法，其中，所述的水处理用高分子硅钙铁混凝剂是通过钛白生产过程中产生的无毒钛泥固废物形成。该水处理用混凝剂是通过下述反应获得：盐酸溶液对钛泥的第一阶段的酸浸反应，获得浸取液Ⅰ和滤渣Ⅰ；浓硫酸溶液对滤渣Ⅰ的第二阶段的酸浸反应，获得浸取液Ⅱ和滤渣Ⅱ；然后是强碱对滤渣Ⅱ的碱浸反应；最后是氧化剂对浸取液Ⅰ、浸取液Ⅱ与浸取液Ⅲ的混合浸取液的氧化熟化反应。本发明的水处理用混凝剂除有机物与色度效率较高，可应用于城市污水或工业废水的预处理及深度处理。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及一种以钛白生产过程中产生的偏钛酸废料及水玻璃为主要原料制备低污泥量的水处理用聚硅钛铁混凝剂及其制备技术。
背景技术
随着中国城镇化进程的迅速发展，污水产生量急剧增加，同时政府对环保的要求日趋严格，导致污水处理规模和处理量也日益扩大，污泥产生量必定快速增加。污泥处理费用基本占整个污水厂的四分之一到一半左右。多年来，污泥处理处置未得到足够重视，目前60%以上的污泥采取的是填埋处理方式。我国许多污水厂每天排放的污泥含水率在99%以上，经浓缩脱水后其含水率基本在80%以上，深度脱水难度很大，故出现许多大中城市“污泥淹城”现象，给生态环境带来严重隐患。污泥减量是上世纪90年代提出的一个较新的关于如何处置污泥的概念，是污泥资源化处置概念的延伸及拓展，是一种污泥的源头处理方式。目前国内外对于污泥减量化技术进行了大量研究，但主要涉及的是生物污泥的减量研究，对于如何减量化学污泥却涉及不多。目前中国污水处理领域采用较多的混凝剂是聚合氯化铝，处理效果较优异，但是该混凝剂形成的絮体沉降速度慢，污泥含水率高，脱水较为困难。
另外，随着工农业的持续发展及人民生活质量的提高，固体废弃物污染已成为世界性难题，而中国作为经济高速发展的区域，已成为全球固废污染最重的国家之一。大多数固废物在其他方面仍存在使用价值，故其资源化成为处理的主要手段，其中利用固废物可制备各种无机、有机混凝剂。如陈刚与唐德尧的国家发明专利“由废弃果皮制备环保型絮凝剂的方法及应用（申请号CN201310568550）”，傅立民的国家发明专利“一种聚铝铁硅藻土絮凝剂的制备方法（申请号CN201310434407）”，卢海燕与张琰的国家发明专利“一种处理印染废水的复合型絮凝剂及其制备方法（申请号CN201310326334）”。偏钛酸废料是一种基本被弃的固废物，来源于钛白粉的生产过程。钛被誉为“太空金属”，蕴藏量丰富，在地壳中的储量仅次于铁、铝、镁，居第四位，而我国钛的蕴藏量居世界第一。二氧化钛是钛元素重要的化合物之一，钛白粉的主要成分为二氧化钛，被认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料，广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业。我国不仅是世界最大的钛白粉生产国，也是世界最大的钛白粉消费国。钛白粉的制造方法主要有两种：硫酸法和氯化法，氯化法多被国外采用。我国仍以硫酸法为主，该法主要是以价低易得的钛铁矿与硫酸为主要原料，设备较简单，技术也较成熟。但是该工艺过程会产生大量的废物及副产物，偏钛酸废料即是其中之一。偏钛酸废料主要含有钛、铁、硅等无毒元素，铁、硅是制备无机混凝剂的常用元素，钛是混凝剂制备中的较新元素。水玻璃，又称泡花 碱，是一种粘结力较强的水溶性硅酸盐，是多种多硅酸钠的混合物，广泛应用于建筑领域，价格较低。由Baylis在1937年首次提出的聚硅酸的制备方法就是以水玻璃为原料，经酸中和后而形成的具有絮凝作用的液体。因此以硅、钛、铁等为主要元素制备水处理用混凝剂具有理论和实践基础。目前关于含硅钛的混凝剂制备的专利，涉及“聚合硅酸聚合硫酸钛无机高分子复合絮凝剂及其制备方法与应用（CN103342406A），该专利是由聚合硅酸溶液与聚合硫酸钛溶液混合制得。目前国内外数据库中，未见采用偏钛酸废料与水玻璃制备的水处理用聚硅钛铁混凝剂的相关文献报道。
发明内容
本发明为提高钛铁矿硫酸法生产钛白过程中固废物的利用价值并降低水处理中的化学污泥量，提供一种采用硫酸法钛白生产过程中产生的偏钛酸废料及水玻璃制备低污泥量的水处理用聚硅钛铁混凝剂及其制备技术。
本发明的水处理用聚硅钛铁混凝剂的原料组成及含量如下，所有百分数为重量百分数：
偏钛酸废料 5%~15%
水玻璃 4%~11%
水 30%~60%
质量分数为60%~90%的浓硫酸溶液 25%~40%
质量分数为30%~50%的稀硫酸溶液 0.08%~2.5%
摩尔分数为1mol/L~5mol/L的氢氧化钠溶液 0%~6%
添加剂 0.2%~2.5%
所采用的偏钛酸废料为硫酸法钛白生产过程中产生的湿式酸洗废渣，其中二氧化钛的质量含量为60%~85%，三氧化二铁的质量含量为5%~15%；
所采用的水玻璃为工业级液体，其中二氧化硅质量含量为23%~28%，模数为3.1~3.4；
所采用的浓硫酸溶液、稀硫酸溶液和氢氧化钠溶液为工业级；
所采用的添加剂为工业级氯酸钠、工业级次氯酸钠，氯酸钠为固体，质量含量>98%，次氯酸钠为液体，质量含量>10%；
将上述各组分制备成本发明水处理用聚硅钛铁混凝剂的技术方案为：
1、在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将14%~26%的水加入到4%~11%的水玻璃中，得到水玻璃稀释液，然后在300转/分钟~500转/分钟的搅拌速度下，将上述水玻璃稀释液加入到0.08%~2.5%的质量分数为30%~50%的稀硫酸溶液中，控制pH值为1.5~3.5，搅拌5分钟~10分钟，静置3小时~16小时，获得聚硅酸溶液，备用；
2、在50转/分钟~100转/分钟的搅拌速度下，将4%~14%的水加入到5%~15%的偏钛酸废料中，形成一种膏状物，然后在温度为90℃~100℃及100转/分钟~200转/分钟的搅拌速度下，将25%~40%的质量分数为60%~90%的浓硫酸溶液加入到上述膏状物中，进行浸取反应，控制反应时间为1小时~2小时，得到浸取液，在搅拌速度为100转/分钟~300转/分钟的条件下，将12%~20%的水加入到上述浸取液中，得到浸取稀释液，过滤，得到滤液，备用；
3、在温度为30℃~50℃及100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将上述聚硅酸溶液加入到上述滤液中，搅拌2分钟~5分钟后，加入0.2%~2.5%的氧化剂，继续搅拌2分钟~5分钟，得到混合液，备用；
4、在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将0%~6%的摩尔分数为1mol/L~5mol/L的氢氧化钠溶液加入到上述混合液中，控制pH值为0.5~3.5，然后在室温下静置熟化，控制熟化时间为3小时~16小时，得到水处理用聚硅钛铁混凝剂原液，然后稀释1.5倍~2倍，制得黄绿色或土黄色的水处理用聚硅钛铁混凝剂液体产品；
5、采用逆向接触喷雾干燥方法或自然干燥方法将上述水处理用聚硅钛铁混凝剂原液固化，逆向接触喷雾干燥法中，热空气流量为100m3/h~200m3/h，热空气进口温度为100℃~120℃，或将上述原液自然晾干、粉碎，制成淡黄色或淡土黄色的粉末状或粒状固体产品。
本发明的优点如下：
1、本发明以硫酸法钛白生产过程中产生的湿式酸洗废渣和水玻璃为主要原料，以工业级硫酸、氢氧化钠为辅助原料，以工业级氯酸钠、次氯酸钠为添加剂，制备污泥量较少且沉降速度快、除污染性能高效的水处理用聚硅钛铁混凝剂。
2、本发明的工艺过程为常压、室温或低温，设备简单，工艺成熟，易实现。
3、本发明的水处理用聚硅钛铁混凝剂是一种新型无机高分子类净水剂，可应用于城市污水、工业废水及富营养化严重的湖泊水等领域，尤其适用于污水色度及有机物、重金属、藻类、磷等污染物质的去除。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将25L的水加入到15L的水玻璃中，得到水玻璃稀释液，然后在300转/分钟~500转/分钟的搅拌速度下，将上述水玻璃稀释液加入到3L的质量分数为45%的稀硫酸溶液中，控制pH值3~3.5，搅拌5分钟，静置5小时，获得聚硅酸溶液，备用。在50转/分钟~100转/分钟的搅拌速度下，将50L的水加入到50kg的偏钛酸废料中，形成一种膏状物，然后在温度为90℃~100℃及100转/分钟~200转/分钟的搅拌速度下，将85L的质量分数为80%的浓硫酸溶液加入到上述膏状物中，进行浸取反应，控制反应时间为1小时，得到浸取液，在搅拌速度为100转/分钟~300转/分钟的条件下，将100L的水加入到上述浸取液中，得到浸取稀释液，过滤，得到滤液，备用。在温度为30℃~50℃及100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将上述聚硅酸溶液加入到上述滤液中，搅拌2分钟~5分钟后，加入5kg的氯酸钠，继续搅拌5分钟，得到混合液，备用。在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将10L的摩尔分数为2mol/L的氢氧化钠溶液加入到上述混合液中，控制pH值为0.5~2.5，然后在室温下静置熟化，控制熟化时间为3小时，得到水处理用聚硅钛铁混凝剂原液，然后稀释1.5倍~2倍，制得土黄色的水处理用聚硅钛铁混凝剂液体产品。
实施例2
在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将30L的水加入到15L的水玻璃中，得到水玻璃稀释液，然后在300转/分钟~500转/分钟的搅拌速度下，将上述水玻璃稀释液加入到4L的质量分数为40%的稀硫酸溶液中，控制pH值2~3，搅拌5分钟，静置12小时，获得聚硅酸溶液，备用。在50转/分钟~100转/分钟的搅拌速度下，将28L的水加入到28kg的偏钛酸废料中，形成一种膏状物，然后在温度为90℃~100℃及100转/分钟~200转/分钟的搅拌速度下，将45L的质量分数为75%的浓硫酸溶液加入到上述膏状物中，进行浸取反应，控制反应时间为2小时，得到浸取液，在搅拌速度为100转/分钟~300转/分钟的条件下，将50L的水加入到上述浸取液中，得到浸取稀释液，过滤，得到滤液，备用。在温度为30℃~50℃及100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将上述聚硅酸溶液加入到上述滤液中，搅拌2分钟~5分钟后，加入1L的次氯酸钠溶液，继续搅拌2分钟~5分钟，得到混合液，备用。在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将3L的摩尔分数为3mol/L的氢氧化钠溶液加入到上述混合液中，控制pH值为0.5~2，然后在室温下静置熟化，控制熟化时间为16小时，得到水处理用聚硅钛铁混凝剂原液，然后稀释1.5倍~2倍，制得黄绿色的水处理用聚硅钛铁混凝剂液体产品。
实施例3
在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将30L的水加入到15L的水玻璃中，得到水玻璃稀释液，然后在300转/分钟~500转/分钟的搅拌速度下，将上述水玻璃稀释液加入到4L的质量分数为40%的稀硫酸溶液中，控制pH值2~3，搅拌5分钟，静置12小时，获得聚硅酸溶液，备用。在50转/分钟~100转/分钟的搅拌速度下，将28L的水加入到28kg的偏钛酸废料中，形成一种膏状物，然后在温度为90℃~100℃及100转/分钟~200转/分钟的搅拌速度下，将45L的质量分数为75%的浓硫酸溶液加入到上述膏状物中，进行浸取反应，控制反应时间为2小时，得到浸取液，在搅拌速度为100转/分钟~300转/分钟的条件下，将50L的水加入到上述浸取液中，得到浸取稀释液，过滤，得到滤液，备用。在温度为30℃~50℃及100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将上述聚硅酸溶液加入到上述滤液中，搅拌2分钟~5分钟后，加入3kg的氯酸钠，继续搅拌2分钟~5分钟，得到混合液，然后在室温下静置熟化，控制熟化时间为16小时，得到水处理用聚硅钛铁混凝剂原液，然后稀释1.5倍~2倍，制得黄绿色的水处理用聚硅钛铁混凝剂液体产品。
实施例4
在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将25L的水加入到15L的水玻璃中，得到水玻璃稀释液，然后在300转/分钟~500转/分钟的搅拌速度下，将上述水玻璃稀释液加入到3L的质量分数为45%的稀硫酸溶液中，控制pH值3~3.5，搅拌5分钟，静置5小时，获得聚硅酸溶液，备用。在50转/分钟~100转/分钟的搅拌速度下，将50L的水加入到50kg的偏钛酸废料中，形成一种膏状物，然后在温度为90℃~100℃及100转/分钟~200转/分钟的搅拌速度下，将85L的质量分数为80%的浓硫酸溶液加入到上述膏状物中，进行浸取反应，控制反应时间为1小时，得到浸取液，在搅拌速度为100转/分钟~300转/分钟的条件下，将100L的水加入到上述浸取液中，得到浸取稀释液，过滤，得到滤液，备用。在温度为30℃~50℃及100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将上述聚硅酸溶液加入到上述滤液中，搅拌2分钟~5分钟后，加入5kg的氯酸钠，继续搅拌5分钟，得到混合液，备用。在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将10L的摩尔分数为2mol/L的氢氧化钠溶液加入到上述混合液中，控制pH值为0.5~2.5，然后在室温下静置熟化，控制熟化时间为3小时，得到水处理用聚硅钛铁混凝剂原液，然后稀释1.5倍~2倍，制得黄绿色的水处理用聚硅钛铁混凝剂液体产品。采用自然干燥方法将上述水处理用聚硅钛铁混凝剂原液固化，自然晾干、粉碎，制成淡土黄色的粒状固体产品。
实施例5
在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将30L的水加入到15L的水玻璃中，得到水玻璃稀释液，然后在300转/分钟~500转/分钟的搅拌速度下，将上述水玻璃稀释液加入到4L的质量分数为40%的稀硫酸溶液中，控制pH值2~3，搅拌5分钟，静置12小时，获得聚硅酸溶液，备用。在50转/分钟~100转/分钟的搅拌速度下，将28L的水加入到28kg的偏钛酸废料中，形成一种膏状物，然后在温度为90℃~100℃及100转/分钟~200转/分钟的搅拌速度下，将45L的质量分数为75%的浓硫酸溶液加入到上述膏状物中，进行浸取反应，控制反应时间为2小时，得到浸取液，在搅拌速度为100转/分钟~300转/分钟的条件下，将50L的水加入到上述浸取液中，得到浸取稀释液，过滤，得到滤液，备用。在温度为30℃~50℃及100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将上述聚硅酸溶液加入到上述滤液中，搅拌2分钟~5分钟后，加入1kg的氯酸钠，继续搅拌2分钟~5分钟，得到混合液，备用。在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将3L的摩尔分数为3mol/L的氢氧化钠溶液加入到上述混合液中，控制pH值为0.5~2，然后在室温下静置熟化，控制熟化时间为16小时，得到水处理用聚硅钛铁混凝剂原液，然后稀释1.5倍~2倍，制得黄绿色的水处理用聚硅钛铁混凝剂液体产品。采用逆向接触喷雾干燥方法将上述水处理用聚硅钛铁混凝剂原液固化，热空气流量为100m3/h~200m3/h，热空气进口温度为100℃~120℃，制成淡黄色的粉末状产品。
实施例6
在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将30L的水加入到15L的水玻璃中，得到水玻璃稀释液，然后在300转/分钟~500转/分钟的搅拌速度下，将上述水玻璃稀释液加入到4L的质量分数为40%的稀硫酸溶液中，控制pH值2~3，搅拌5分钟，静置12小时，获得聚硅酸溶液，备用。在50转/分钟~100转/分钟的搅拌速度下，将28L的水加入到28kg的偏钛酸废料中，形成一种膏状物，然后在温度为90℃~100℃及100转/分钟~200转/分钟的搅拌速度下，将45L的质量分数为75%的浓硫酸溶液加入到上述膏状物中，进行浸取反应，控制反应时间为2小时，得到浸取液，在搅拌速度为100转/分钟~300转/分钟的条件下，将50L的水加入到上述浸取液中，得到浸取稀释液，过滤，得到滤液，备用。在温度为30℃~50℃及100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将上述聚硅酸溶液加入到上述滤液中，搅拌2分钟~5分钟后，加入3kg的氯酸钠，继续搅拌2分钟~5分钟，得到混合液，然后在室温下静置熟化，控制熟化时间为16小时，得到水处理用聚硅钛铁混凝剂原液，然后稀释1.5倍~2倍，制得黄绿色的水处理用聚硅钛铁混凝剂液体产品。采用逆向接触喷雾干燥方法将上述水处理用聚硅钛铁混凝剂原液固化，热空气流量为100m3/h~200m3/h，热空气进口温度为100℃，制成淡黄色的粉末状产品。
应用实例
将以上实施例1、2、3制备的No.1、2、3低污泥量的水处理用聚硅钛铁混凝剂用于加入高岭土的模拟农药水的混凝处理，并与聚合氯化铝（PAC）对比。原水浊度为65~105NTU，pH值为5.2~5.7，CODCr为1205-1400mg/L，总磷（TP）为356 mg/L，水温为20℃。投药量为mL药剂/1L水样。处理结果列于表1及表2。
表1除磷效率（%）
表2沉降完成后的污泥产生量（mL）
从以上结果可以看出，水处理用聚硅钛铁混凝剂具有较优异的除磷性能并且具有较少的污泥产生量。
Claims (4)
1.一种低污泥量的水处理用聚硅钛铁混凝剂，其特征在于：
（1）原料组成及含量，所有百分数为重量百分数：
偏钛酸废料 5%~15%
水玻璃 4%~11%
水 30%~60%
质量分数为60%~90%的浓硫酸溶液 25%~40%
质量分数为30%~50%的稀硫酸溶液 0.08%~2.5%
摩尔分数为1mol/L~5mol/L的氢氧化钠溶液 0%~6%
添加剂 0.2%~2.5%
（2）制备步骤：
a、在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将14%~26%的水加入到4%~11%的水玻璃中，得到水玻璃稀释液，然后在300转/分钟~500转/分钟的搅拌速度下，将上述水玻璃稀释液加入到0.08%~2.5%的质量分数为30%~50%的稀硫酸溶液中，控制pH值为1.5~3.5，搅拌5分钟~10分钟，静置3小时~16小时，获得聚硅酸溶液，备用；
b、在50转/分钟~100转/分钟的搅拌速度下，将4%~14%的水加入到5%~15%的偏钛酸废料中，形成一种膏状物，然后在温度为90℃~100℃及100转/分钟~200转/分钟的搅拌速度下，将25%~40%的质量分数为60%~90%的浓硫酸溶液加入到上述膏状物中，进行浸取反应，控制反应时间为1小时~2小时，得到浸取液，在搅拌速度为100转/分钟~300转/分钟的条件下，将12%~20%的水加入到上述浸取液中，得到浸取稀释液，过滤，得到滤液，备用；
c、在温度为30℃~50℃及100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将上述聚硅酸溶液加入到上述滤液中，搅拌2分钟~5分钟后，加入0.2%~2.5%的氧化剂，继续搅拌2分钟~5分钟，得到混合液，备用；
d、在100转/分钟~300转/分钟的搅拌速度下，将0%~6%的摩尔分数为1mol/L~5mol/L的氢氧化钠溶液加入到上述混合液中，控制pH值为0.5~3.5，然后在室温下静置熟化，控制熟化时间为3小时~16小时，得到水处理用聚硅钛铁混凝剂原液，然后稀释1.5倍~2倍，制得黄绿色或土黄色的水处理用聚硅钛铁混凝剂液体产品；
e、采用逆向接触喷雾干燥方法或自然干燥方法将上述水处理用聚硅钛铁混凝剂原液固化，逆向接触喷雾干燥法中，热空气流量为100m3/h~200m3/h，热空气进口温度为100℃~120℃，或将上述原液自然晾干、粉碎，制成淡黄色或淡土黄色的粉末状或粒状固体产品。
2.根据权利要求1所述的低污泥量的水处理用聚硅钛铁混凝剂，其特征在于所采用的水玻璃为工业级液体，其中二氧化硅质量含量为23%~28%，模数为3.1~3.4。
3.根据权利要求1所述的低污泥量的水处理用聚硅钛铁混凝剂的制备技术，其特征在于以硫酸法钛白生产过程中产生的湿式酸洗废渣和水玻璃为主要原料，以工业级硫酸、氢氧化钠为辅助原料，以工业级氯酸钠、次氯酸钠为添加剂，制备污泥量较少且沉降速度快、除污染性能高效的水处理用聚硅钛铁混凝剂。
4.根据权利要求1所述的低污泥量的水处理用聚硅钛铁混凝剂的制备技术，其特征在于工艺过程为常压、室温或低温，设备简单，工艺成熟，易实现。
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