钢铁冶金废渣硅酸盐的制备及应用研究

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1、钢铁冶金废渣硅酸盐的制备及应用研究1文献综述1.1硅酸盐混凝剂的国内外研究现状混凝法是一种成熟的、操作方便的污水处理方法，在工业废水处理方面得到越来越广泛的应用。在种类众多的混凝剂中，聚硅酸复盐混凝剂(PMSS)作为一种新型高效的混凝剂已成为水处理界研究的重点对象。它是在聚硅酸(即活化硅酸)及无机铁铝盐混凝剂的基础上发展起来的，具有无毒、广、成本低、混凝效果好、聚合方法简单、沉降速度快等优点[1-4]。硅酸盐混凝剂的研发始于20世纪80年代末期[5]，有关碱式聚硅酸盐的制备始见于1975年的英国专利UK139958。从3

2、0年代后期开始，聚硅酸就以对细泥类悬浮物具有加速沉降的优点引起了水处理界的关注[6]。1989年，加拿大汉迪化学品公司[7]成功开发了新型碱式聚硅酸硫酸铝混凝剂(PASS)[3]，并于1990年在加拿大魁北克省投产。该法是用硅酸钠、硫酸铝和铝酸钠反应而制得一种碱式多核羟基硫酸铝复合物，由于PASS的生产采用了高剪切专利技术，所得产品可在20~25℃下可存放3个月以上而性能不减，得到全美科学财团（NSF)的认可。该法的缺点是工艺复杂、设备要求高、SiO2含量低，聚硅酸的吸附架桥作用没有得到充分发挥等。20世纪90年代初日本

3、领先涉足研发的一种混凝剂，开辟了聚硅酸铁盐类混凝剂的研究先河，其开发应用在给水与废水处理方面均具有重要意义。目前国外对聚硅酸盐混凝剂中各种金属离子的水解历程以及聚硅酸与金属元素水解聚合产物间的相互作用的研究较多[8-10]。有学者通过红外线光谱测定共聚物的组成，还有人利用测定混凝剂电位、XRD技术、扫描电镜图片等方法观察混凝剂的晶貌结构。由于硅酸盐混凝剂独具特色，可以成功地应用在给水、工业废水以及城市污水的前处理、中间处理和深度处理中，现已逐渐成为主流的水处理絮凝剂。.1.2钢铁冶金废渣概述钢铁企业在生产过程中产生的固体

4、废弃物主要有高炉渣（包括水渣、干渣）、钢渣、含铁尘泥等，其中高炉水淬渣和含铁尘泥是冶金固体废渣中两种主要的废渣。水淬高炉矿渣即高炉熔炼生铁时所产生的浮在铁水表面的熔融物，经过水淬急冷处理，成为灰色颗粒状态，质地疏松多孔，也称水冲渣。吴达华在1997年对高炉水淬渣的结构进行研究表明：高炉水淬渣主要由一种非晶态的分相玻璃体组成，这种玻璃体包括由SiO42-组成的网架形成体和由Ca2+组成的网架改性体两部分。矿渣中的Al3+和Mg2+既属于网架的形成体，又属于网架的改性体。钙离子(Ca2+)以离子键形式存在于六元配位键内，随着

5、硅氧四面体网络结构的解聚，钙或其它类似离子含量也会增加。硅氧四面体网络便是矿渣具有潜在活性的原因[18]。硅氧四面体结构示意图如下：四面体的四个顶点是氧离子，中心位置上是Si4+离子，Si4+的四个正化合价与四个氧离子的四个负化合价相互结合。在构成熔渣的离子中，硅氧四面体的体积最大。四面体中Si-O之间的距离是1.32+0.39＝1.71(oA)，O-O之间的距离是1.32+1.32＝2.64(oA)。同时，硅氧四面体的结构最复杂，其周围结合的金属离子最多，因此炉渣的许多性质取决于硅氧四面体的形态。.2实验材料及方法2.

6、1实验原料、药剂和仪器因每一种矿物质都有其独特的晶体结构，当X射线通过时，晶体中的每个原子将作为点发射源发出与X射线的频率相同的X射线，所产生的各球面散射波满足Bragg方程，并在此条件下发生相干衍射。而衍射峰的位置及强度是物质的特征物理属性。因此可以根据结晶矿物的这一衍射特性，准确鉴定出矿物中的各种物相。对包钢第四炼铁厂高炉水淬渣的X射线图谱见图2.1。实验所用工业废水是取自包头钢铁集团焦化厂初沉池和二沉池的出水，两个池子均为直径约10m，高度3m左右的圆形池。为使取水具有代表行，将池子均分为四份，标记为四个取水点。取

7、水点设置在池子周围栏杆边缘处的出水堰处，因废水处于流动状态，本实验直接进行取水。其水质情况见表2.2和表2.3。.2.2实验方法2.2.1离子浸出为了得到有效的铝、铁、硅元素，本实验采用不同的浸出方法，首先采用焙烧酸浸法将高炉水淬渣中的金属离子浸出，然后再将焙烧酸浸后的滤渣经过碱溶液浸出得到硅元素。而选择先酸浸后碱浸的原因有二，一是焙烧后产物中铝、铁两种金属离子易与酸性溶液反应生成易溶相盐类，含铝、铁物质若先与氢氧化钠反应会生出一部分沉淀，一定程度阻碍金属离子的浸出；二是焙烧反应生成含硅物质，需要先经过酸处理再碱浸得到硅

8、元素。2.2.1.1直接酸浸将经球磨机研磨后的原料高炉水淬渣过60目分选筛进行筛分，采用常压酸浸方式，在不同反应温度、酸渣比、反应时间和酸浓度下进行直接酸浸反应，根据酸渣比（酸体积:废渣质量，mL/g）称取一定质量的高炉水淬渣于250mL烧杯中，加入一定量的一定浓度的酸溶液，在一定温度下酸浸反应一定时间，（一定温度如