一种从铝业污泥中回收钙和铝的系统的制作方法

本实用新型涉及一种铝业污泥处理系统，具体涉及一种从铝业污泥中回收钙和铝的系统。

背景技术：

铝业污泥是铝型材加工过程中产生的工业排放物，其成分和性质十分复杂，主要成分包括Al(OH)₃、Al₂O₃，其它成分还包括钙、钾、钠等。目前，我国大部分铝型材厂对铝业污泥的处理方式是直接采用生石灰进行中和处理后填埋，该方式会导致大量具有经济价值的铝资源浪费，而高昂的填埋费用既加剧了企业的环保压力，又带来了环境负担，此外还额外加大了处理费用，从而无法兼顾生态环境的保护和资源的可持续利用。

铝业污泥的富铝组成特性表明其具有较高的资源化潜力，如加以合理的开发利用，不仅可以实现铝的资源化回收利用，同时降低了环境污染，大大减少了铝材企业的环保负担。然而，现有的铝业污泥资源化处理系统大多不够精细，不仅导致铝的回收率低，此外得到的含铝产品中通常还含有钙等杂质，从而大大降低了含铝产品的利用价值。因此，特别期待一种铝回收率高并且回收产品纯度高的铝业污泥处理系统。

技术实现要素：

本实用新型提供一种从铝业污泥中回收钙和铝的系统，利用该系统处理铝业污泥时铝的回收率高，回收产品的纯度高，具有显著的经济、环境和社会效益。

本实用新型提供一种从铝业污泥中回收钙和铝的系统，包括：

溶出装置，其具有铝业污泥进口和溶出液出口；

第一固液分离装置，其具有溶出液进口、滤液出口和滤渣出口，所述溶出液进口与所述溶出装置的溶出液出口连通；

电渗析装置，其包括阳离子交换膜和阴离子交换膜并且具有进口、第一出口、第二出口和第三出口，所述进口与所述第一固液分离装置的滤液出口连通；

钙回收装置，其与所述电渗析装置的第一出口连接；

铝回收装置，其包括依次设置的中和装置、第二固液分离装置、洗涤装置和干燥装置，所述中和装置与所述电渗析装置的第二出口连接。

在本实用新型中，溶出装置用于对铝业污泥进行溶出从而形成含有钙和铝的溶出液；其中，铝业污泥是铝型材加工过程中产生的工业排放物，对其不作严格限制，铝业污泥的含水率可以为60-70wt％，铝含量可以为5wt％以上，钙含量可以为5wt％以上。

具体地，可以采用浓度为2-3mol/L的可溶性碱溶液对铝业污泥进行溶出；其中，对可溶性碱溶液的具体种类不作严格限制，例如可以为NaOH溶液等。可溶性碱溶液的浓度对铝的回收率具有显著影响，可溶性碱溶液的浓度过高时，可能会导致钙提前沉淀从而降低其回收率，同时减弱阴离子交换膜对AlO₂^-的选择透过性，导致铝元素无法快速在第二混合液中大量富集，使其回收率降低；可溶性碱溶液的浓度过低时，钙、铝等成分无法完全溶出，同样会降低其回收率。适宜的可溶性碱溶液的浓度应当设置为2-3mol/L，该浓度范围既能够使钙、铝等成分完全溶出，同时不会导致钙、铝等成分沉淀，有利于提高钙、铝等成分的回收率。

此外，对溶出时可溶性碱溶液的用量不作严格限制，只要能够浸没铝业污泥即可；具体地，每10kg铝业污泥可以加入15-25L的可溶性碱溶液进行溶出。此外，溶出时的搅拌速度可以为150-200r/min，进一步为180-200r/min；溶出的温度可以为室温；溶出的时间可以为20-30min，进一步为25-30min。

进一步地，所述系统还包括破碎装置，所述破碎装置与所述溶出装置的铝业污泥进口连接。破碎装置用于将铝业污泥捣碎至蓬松状，如铝业污泥中有块状硬度较大的固体污泥，破碎装置用于对铝业污泥进行破碎；设置破碎装置有利于钙、铝等成分从铝业污泥中完全脱离。

在本实用新型中，第一固液分离装置用于对所述溶出液进行固液分离从而得到含有钙和铝的滤液；具体地，固液分离用于分离去除溶出液中的固体物、悬浮物等，可以采用常规方式进行固液分离，例如过滤、离心等。

在一实施方式中，第一固液分离装置为压滤机，所述压滤机的过滤介质的孔径为600-700目。过滤介质的孔径对铝的回收具有显著影响，过滤介质的孔径过小时，溶出液不易滤过，从而影响固液分离的实际操作；过滤介质的孔径过大时，部分悬浮物会进入到滤液中从而对后续处理造成不利影响，进而降低产品的纯度；适宜的过滤介质的孔径应当设置为600-700目，该孔径范围有利于保证产品纯度，同时不影响固液分离的实际操作。

进一步地，所述压滤机为聚丙烯板框压滤机；该聚丙烯板框压滤机能够避免碱性的溶出液对其过滤介质造成破坏。

在本实用新型中，电渗析装置用于对所述滤液进行电渗析从而分别得到含钙的第一混合液和含铝的第二混合液。具体地，电渗析装置能够分离上述固液分离形成的滤液中的AlO₂^-和Ca²⁺；其中，阳离子交换膜可以选择性地透过Ca²⁺，阴离子交换膜可以选择性地透过AlO₂^-，进而实现钙和铝的分别回收。本实用新型对阳离子交换膜和阴离子交换膜不作严格限制，只要能够实现上述功能即可。

具体地，阳离子交换膜的功能基团可以为磺酸基，主材质可以为耐酸碱的PES、PA、PVDF等，例如可以采用CMI-7000阳离子交换膜；阴离子交换膜的功能基团可以为季铵基，主材质可以为耐酸碱的PES、PA、PVDF等，例如可以采用AMI-7001S阴离子交换膜。

在一实施方式中，所述电渗析装置包括槽体、阳离子交换膜组、阴离子交换膜组和一对电极，所述阳离子交换膜组由两个以上间隔设置的所述阳离子交换膜构成，所述阴离子交换膜组由两个以上间隔设置的所述阴离子交换膜构成，所述阳离子交换膜组和所述阴离子交换膜组间隔插设在所述槽体中并且将所述槽体分隔为阴极室、中间室和阳极室，所述一对电极分别插设在所述阴极室和所述阳极室中。

本实用新型对阳离子交换膜组和阴离子交换膜组中的阳离子交换膜及阴离子交换膜的设置数量不作严格限制，例如可以分别设置2-4个。上述电渗析装置结构简单，便于操作，其能够良好地分离固液分离形成的滤液中的AlO₂^-和Ca²⁺，从而有利于提高回收产品的纯度。

进一步地，电渗析装置的工作电压为35-40V。工作电压对铝的回收率具有显著影响，工作电压过小时不利于AlO₂^-和Ca²⁺的完全透过，从而降低了铝和钙的回收率；工作电压过大时可能击穿阳离子交换膜和阴离子交换膜，同样不利于铝和钙的回收；适宜的工作电压为35-40V，该电压范围能够保证钙和铝的完全回收，同时不会造成阳离子交换膜和阴离子交换膜的破坏。

此外，上述电渗析装置的工作液可以为0.1-1mol/L的碳酸钠溶液或者蒸馏水。在工作液选用碳酸钠溶液时，Ca²⁺透过阳离子交换膜进入工作液，并与工作液中的CO₃^2-形成碳酸钙；经固液分离，即可回收得到碳酸钙(含钙产品)。可以理解的是，在工作液选用蒸馏水时，第一混合液为含Ca²⁺的溶液，可通过加入碳酸钠溶液等形成碳酸钙，进而回收碳酸钙得到含钙产品。

进一步地，所述电渗析装置还包括直流电源和电流表，所述直流电源和电流表串联连接在所述一对电极之间。

进一步地，所述电极为石墨板状电极。

利用上述电渗析装置进行电渗析时，阳离子交换膜组与阴离子交换膜组之间形成中间室，待电渗析溶液(即上述滤液)置于该中间室内；阳离子交换膜组一侧为阴极室，工作液置于阴极室中，电渗析后，中间室的待电渗析溶液中的Ca²⁺透过阳离子交换膜组进入阴极室的工作液中，从而形成碳酸钠溶液与少量碳酸钙沉淀的混合液(即第一混合液)；阴离子交换膜组一侧为阳极室，工作液置于阳极室中，电渗析后，中间室的待电渗析溶液中的AlO₂^-透过阴离子交换膜组进入阳极室的工作液中，从而形成碳酸钠与偏铝酸钠的乳白色混合液(即第二混合液)。

进一步地，所述电渗析装置的第三出口与反渗透装置连接；电渗析后，中间室的待电渗析溶液逐渐变为中性溶液，且金属离子浓度很低，后续可以通过上述反渗透装置进行简单的反渗透处理后回用。

在本实用新型中，钙回收装置用于从所述第一混合液中回收钙从而得到含钙产品。在一实施方式中，所述钙回收装置为固液分离装置，例如过滤装置；此时可以通过固液分离得到碳酸钙(即含钙产品)，固液分离后的滤液可以直接排放或者进一步回收利用。

在本实用新型中，铝回收装置用于从所述第二混合液中回收铝从而得到含铝产品；其中，中和装置用于强酸溶液(即中和液)与所述第二混合液的中和，从而形成Al(OH)₃沉淀；第二固液分离装置用于对中和后的混合液进行固液分离，从而收集Al(OH)₃沉淀；洗涤装置用于对Al(OH)₃沉淀进行洗涤；干燥装置用于对洗涤后的Al(OH)₃沉淀进行干燥，从而得到Al(OH)₃产品(即含铝产品)。

具体地，对强酸溶液的具体种类不作严格限制，例如可以为HCl溶液等；特别是，HCl溶液的浓度不宜过高，否则会导致Al(OH)₃溶解从而降低其回收率，适宜的浓度为2-3mol/L。特别是，加入强酸溶液的量(即体系的终pH值)对铝的回收率具有显著影响，适宜的pH值范围应当设置为8.0-8.2；该pH值范围能够使Al(OH)₃充分沉淀，有利于提高铝的回收率。

本实用新型的系统设有溶出装置，其能够使铝业污泥中的钙、铝等成分从铝业污泥中脱离出来，从而便于后续的分离和回收；本实用新型的系统还设有电渗析装置，其能够分离滤液中的AlO₂^-和Ca²⁺，从而实现钙和铝的分别回收。上述系统能够解决现有技术中铝业污泥回收利用难、减量化难、回收氢氧化铝的纯度低、杂质含量高、技术步骤繁琐、药剂用量大、人员配置多等问题，在处理铝业污泥时铝的回收率可达98％以上，得到的氢氧化铝产品的纯度达到99％以上，具有良好的经济、环境和社会效益。

附图说明

图1为本实用新型一实施方式的从铝业污泥中回收钙和铝的系统的结构示意图；

图2为本实用新型一实施方式的电渗析装置的结构示意图；

图3为利用本实用新型一实施方式的从铝业污泥中回收钙和铝系统处理铝业污泥的工艺流程图；

图4为本实用新型一实施方式的电渗析装置的工作原理示意图。

附图标记说明：

1：溶出装置；2：第一固液分离装置；3：电渗析装置；4：钙回收装置；5：中和装置；6：第二固液分离装置；7：洗涤装置；8：干燥装置；9：破碎装置；10：反渗透装置；11：槽体；12：阳离子交换膜；13：阴离子交换膜；14：电极；15：阴极室；16：中间室；17：阳极室；18：直流电源；19：电流表；20：排渣管。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型的附图和实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

结合图1和图2所示，本实用新型的从铝业污泥中回收钙和铝的系统，包括溶出装置1，其具有铝业污泥进口和溶出液出口；第一固液分离装置2，其具有溶出液进口、滤液出口和滤渣出口，溶出液进口与溶出装置1的溶出液出口连通；电渗析装置3，其包括阳离子交换膜12和阴离子交换膜13并且具有进口、第一出口、第二出口和第三出口，进口与第一固液分离装置2的滤液出口连通；钙回收装置4，其与电渗析装置3的第一出口连接；铝回收装置，其包括依次设置的中和装置5、第二固液分离装置6、洗涤装置7和干燥装置8，中和装置5与电渗析装置3的第二出口连接。

本实用新型的从铝业污泥中回收钙和铝的系统可用于对铝业污泥进行处理，从而回收铝业污泥中的钙和铝；铝业污泥是铝型材加工过程中产生的工业排放物，对其不作严格限制。

在本实用新型中，溶出装置1用于对铝业污泥进行溶出从而形成含有钙和铝的溶出液。具体地，可以采用浓度为2-3mol/L的可溶性碱溶液(例如NaOH溶液)对铝业污泥进行溶出，可溶性碱溶液的浓度对铝的回收率具有显著影响，可溶性碱溶液的浓度过高时，可能会导致钙提前沉淀从而降低其回收率，同时减弱阴离子交换膜对AlO₂^-的选择透过性，导致铝元素无法快速在第二混合液中大量富集，使其回收率降低；可溶性碱溶液的浓度过低时，钙、铝等成分无法完全溶出，同样会降低其回收率。适宜的可溶性碱溶液的浓度应当设置为2-3mol/L，该浓度范围既能够使钙、铝等成分完全溶出，同时不会导致钙、铝等成分沉淀，有利于提高钙、铝等成分的回收率。

进一步地，上述系统还可以包括破碎装置9，破碎装置9与溶出装置1的铝业污泥进口连接。破碎装置9用于将铝业污泥捣碎至蓬松状；如铝业污泥中有块状硬度较大的固体污泥，破碎装置9用于对铝业污泥进行破碎，从而有利于钙、铝等成分从铝业污泥中完全脱离。

在本实用新型中，第一固液分离装置2用于对溶出装置1形成的溶出液进行固液分离从而得到含有钙和铝的滤液。具体地，第一固液分离装置2用于去除溶出液中的固体物、悬浮物等，可以采用常规方式进行固液分离，例如过滤、离心等。

在一实施方式中，第一固液分离装置2为压滤机；特别是，压滤机的过滤介质的孔径可以为600-700目。过滤介质的孔径对铝的回收率具有显著影响，过滤介质的孔径过小时，溶出液不易滤过，从而影响固液分离的实际操作；过滤介质的孔径过大时，部分悬浮物会进入到滤液中从而对后续处理造成不利影响，进而降低产品的纯度；适宜的过滤介质的孔径应当设置为600-700目，该孔径范围有利于保证产品纯度，同时不影响固液分离的实际操作。

进一步地，压滤机可以为聚丙烯板框压滤机；该聚丙烯板框压滤机能够避免碱性的溶出液对其过滤介质造成破坏。

在本实用新型中，电渗析装置3用于对滤液进行电渗析从而分别得到含钙的第一混合液和含铝的第二混合液；电渗析能够分离上述第一固液分离装置2形成的滤液中的AlO₂^-和Ca²⁺；其中，阳离子交换膜12可以选择性地透过Ca²⁺，阴离子交换膜13可以选择性地透过AlO₂^-，进而实现钙和铝的分别回收。对阳离子交换膜12和阴离子交换膜13不作严格限制，只要能够实现上述功能即可。

具体地，阳离子交换膜12的功能基团可以为磺酸基，主材质可以为耐酸碱的PES、PA、PVDF等，例如可以采用CMI-7000阳离子交换膜；阴离子交换膜13的功能基团可以为季铵基，主材质可以为耐酸碱的PES、PA、PVDF等，例如可以采用AMI-7001S阴离子交换膜。

在一实施方式中，电渗析装置3包括槽体11、阳离子交换膜组、阴离子交换膜组和一对电极14，阳离子交换膜组由两个以上间隔设置的阳离子交换膜12构成，阴离子交换膜组由两个以上间隔设置的阴离子交换膜13构成，阳离子交换膜组和阴离子交换膜组间隔插设在槽体11中并且将槽体11分隔为阴极室15(阳离子交换膜组一侧)、中间室16(阳离子交换膜组与阴离子交换膜组之间)和阳极室17(阴离子交换膜组一侧)，一对电极14分别插设在阴极室15和阳极室17中。此外，可以在阴极室15、中间室16和阳极室17分别设置排渣管20用于排渣；对电极14无严格要求，例如可以为石墨板状电极。

本实用新型对阳离子交换膜组和阴离子交换膜组中的阳离子交换膜12及阴离子交换膜13的设置数量不作严格限制，例如可以分别设置2-4个。上述电渗析装置3的结构简单，便于操作，其能够良好地分离固液分离形成的滤液中的AlO₂^-和Ca²⁺，从而有利于提高回收产品的纯度。

可以理解的是，电渗析装置3还包括直流电源18和电流表19，直流电源18和电流表19串联连接在一对电极14之间。

进一步地，电渗析装置3的工作电压为35-40V。工作电压对铝的回收率具有显著影响，工作电压过小时不利于AlO₂^-和Ca²⁺的完全透过，从而降低了铝和钙的回收率；工作电压过大时可能击穿阳离子交换膜和阴离子交换膜，同样不利于铝和钙的回收；适宜的电渗析的工作电压应当设置为35-40V，该电压范围能够保证钙和铝的完全回收，同时不会造成阳离子交换膜和阴离子交换膜的破坏。

此外，电渗析装置3的工作液可以为0.1-1mol/L的碳酸钠溶液或者蒸馏水。在工作液选用碳酸钠溶液时，Ca²⁺透过阳离子交换膜进入工作液，并与工作液中的CO₃^2-形成碳酸钙；经固液分离，即可回收得到碳酸钙(含钙产品)。可以理解的是，在工作液选用蒸馏水时，第一混合液为含Ca²⁺的溶液，可通过加入碳酸钠溶液等形成碳酸钙，进而回收碳酸钙得到含钙产品。

利用上述电渗析装置3进行电渗析时，阳离子交换膜组与阴离子交换膜组之间形成中间室16，待处理液(即上述滤液)置于该中间室16内；阳离子交换膜组一侧为阴极室15，工作液置于阴极室15中，电渗析后，中间室16的待电渗析溶液中的Ca²⁺透过阳离子交换膜组进入阴极室15的工作液中，从而形成碳酸钠溶液与少量碳酸钙沉淀的混合液(即第一混合液)；阴离子交换膜组一侧为阳极室17，工作液置于阳极室17中，电渗析后，中间室16的待电渗析溶液中的AlO₂^-透过阴离子交换膜组进入阳极室16的工作液中，从而形成碳酸钠与偏铝酸钠的乳白色混合液(即第二混合液)。

进一步地，电渗析装置3的第三出口可以与反渗透装置10连接；电渗析后，中间室的待电渗析溶液逐渐变为中性溶液，且金属离子浓度很低，后续可以通过上述反渗透装置10进行简单的反渗透处理后回用。

在本实用新型中，钙回收装置4用于从第一混合液中回收钙从而得到含钙产品；在一实施方式中，钙回收装置4为固液分离装置，此时可以通过固液分离得到碳酸钙(即含钙产品)，固液分离后的滤液可以直接排放或者进一步回收利用。

在本实用新型中，铝回收装置用于从第二混合液中回收铝从而得到含铝产品，其中：中和装置5用于强酸溶液(即中和液)与第二混合液的中和，从而形成Al(OH)₃沉淀；第二固液分离装置6用于对中和后的混合液进行固液分离，从而收集Al(OH)₃沉淀；洗涤装置7用于对Al(OH)₃沉淀进行洗涤；干燥装置8用于对洗涤后的Al(OH)₃沉淀进行干燥，从而得到Al(OH)₃产品(即含铝产品)。

具体地，对强酸溶液的具体种类不作严格限制，例如可以为HCl溶液等；特别是，HCl溶液的浓度不宜过高，否则会导致Al(OH)₃溶解从而降低其回收率，适宜的浓度为2-3mol/L。特别是，加入强酸溶液的量(即体系的终pH值)对铝的回收率具有显著影响，适宜的pH值范围应当设置为8.0-8.2；该pH值范围能够使Al(OH)₃充分沉淀，有利于提高铝的回收率。

本实用新型的上述系统结构简单，操作方便，利用其对铝业污泥进行处理时，铝的回收率可达98％以上，得到的氢氧化铝产品的纯度达到99％以上，具有显著的经济、环境和社会效益。

结合图3和图4所示，利用上述系统从铝业污泥中回收钙和铝，可以包括如下步骤：

1、溶出

利用破碎装置9将铝业污泥捣碎至蓬松状，如铝业污泥中有块状硬度较大的固体污泥时，采用破碎装置9进行破碎。

破碎后的铝业污泥碎渣经溶出装置1的铝业污泥进口进入溶出装置1，随后向溶出装置1中加入2mol/L的氢氧化钠溶液，其中每10kg铝业污泥加入20L的可溶性碱溶液；随后，在室温条件、180r/min的搅拌速度下溶出30min，得到含有钙和铝的溶出液。

2、固液分离

上述溶出液经溶出装置1的溶出液出口进入第一固液分离装置2，第一固液分离装置2对上述溶出液进行压滤，其中第一固液分离装置2的过滤介质的孔径为600目，分别收集滤液和滤渣；其中，滤液随后经第一固液分离装置2的滤液出口进入电渗析装置3进行电渗析，滤渣中含有钙以及少量的铝，其经第一固液分离装置2的滤渣出口流出后可用于陶瓷工艺行业进行再利用。

3、电渗析

采用电渗析装置3对上述滤液进行电渗析；在进行电渗析时，上述固液分离形成的滤液(即待处理液)进入中间室16，0.1mol/L的碳酸钠溶液(即工作液)分别进入阴极室15和阳极室17，电渗析装置3的工作电压为35V，此时滤液中的Ca²⁺逐渐透过阳离子交换膜组进入阴极室15的工作液中，形成碳酸钠溶液与少量碳酸钙沉淀的混合液(即第一混合液)，其通过电渗析装置3的第一出口进入钙回收装置4进行钙的回收；滤液中的AlO₂^-透过阴离子交换膜组进入阳极室17的工作液中，形成碳酸钠与偏铝酸钠的乳白色混合液(即第二混合液)，其通过电渗析装置3的第二出口进入铝回收装置进行铝的回收；电渗析后中间室16的滤液为中性溶液，金属离子浓度低，其可以通过电渗析装置3的第三出口进入反渗透装置10中进行反渗透处理，随后回用。

4、回收钙

钙回收装置4对上述第一混合液进行过滤，收集滤饼，得到碳酸钙(即含钙产品)；过滤后的滤液直接排放或者进一步回收利用。

5、回收铝

向中和装置5中加入2mol/L的HCl溶液至体系的pH值达到8.0左右，随后采用第二固液分离装置6进行压滤，收集滤饼，经洗涤装置7反复洗涤过滤，再在106℃的干燥装置8中进行干燥，得到白色含铝产品。

经检测，铝的回收率为98.5％，含铝产品中氢氧化铝的含量为99.3wt％。此外，收集并合并全部废液；经检测，废液中Al³⁺含量小于20ppm，Ca²⁺含量小于35ppm，废液为中性溶液，金属离子浓度低，便于直接排放或进一步回收利用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。