一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法

1.本发明涉及固体废弃物资源化及环境保护技术领域，具体涉及一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法。


背景技术：

2.粉煤灰是燃煤电厂经过高温燃烧后产生的主要固体废弃物，主要来源是火力发电厂和城市集中供热锅炉。国内外研究发现，粉煤灰大量堆积已经成为重要的污染源头，对河流、湖泊以及城市水源造成了很大的威胁。尤其是粉煤灰中的hg、cd、cr和pb等有毒重金属元素，对人体和环境产生了严重的危害，并且限制了以粉煤灰为原料制备得到的高附加值产品的应用和推广。目前，现有研究中对粉煤灰中重金属元素脱除的报道不多，大多研究人员对其处理都是采用酸处理或者碱处理。因此，反应过程需要消耗大量的强酸和强碱溶液，处理后的废液难以处理，容易造成二次污染。
3.cn111871605a公开了一种粉煤灰中重金属元素的分离方法，包括以下步骤：将煤粉灰磁选除铁之后加入分散剂，搅拌均匀之后通过振动打散，然后进行静电分离，筛分得到粒径在0.1～20μm之间的粉煤灰颗粒；将筛分得到的粒径在0.1～20μm之间的粉煤灰颗粒进入第一分级室，进行一次离心分离，大颗粒沉降至第二分级室，在所述第二分级室内通入二次空气，使其中的小颗粒上浮进入第一分级室，筛分出平均粒径＜10μm的粉煤灰颗粒。粉煤灰依次经过除铁、打散、静电分离及离心分离等步骤后，将其中细颗粒部分彻底分离出来，而这部分细颗粒中富集了大量的重金属元素，因此能够有效减少粉煤灰中重金属元素含量。但是该分离方法需要高温加热，同时要经过高电压作用，处理能耗高，过程复杂。
4.cn109942114a公开了一种同时去除粉煤灰及工业废水中重金属的方法，包括如下步骤：将未燃烧炭进行粉碎，得到吸附炭；向所述吸附炭中加入自来水，制备成吸附炭液，然后加入煤油，搅拌均匀，再进行浮选，浮选后进行真空抽滤，然后进行烘干，得到改性吸附炭；向若干个相连的吸附罐中分别加入改性吸附炭，将含有重金属的废水依次通过吸附罐，进行重金属的吸附，向吸附重金属的改性吸附炭加入液体沉淀剂，使重金属生成沉淀，然后过滤去除。该方法操作复杂，需要粉碎-浮选-吸附-脱附-沉淀等一系列操作，同时由于过程中加入沉淀剂，产生了新的固体废弃物。
5.针对现有粉煤灰中重金属元素脱除方法中的不足，提供一种简单、高效的处理方法，并且能够环保、有效地对粉煤灰进行重金属脱除，对环境保护和工业生产具有重要意义。


技术实现要素：

6.针对以上问题，本发明的目的在于提供一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法，与现有技术相比，本发明提供的脱除方法脱除重金属的效率高，操作简单，处理成本低，能耗低，并且可以有效提升粉煤灰的利用率。
7.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.本发明提供一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法，所述脱除方法包括如下步骤：
9.(1)粉煤灰原料经筛分处理，得到筛上物颗粒和筛下粉煤灰；
10.(2)混合步骤(1)所述筛下粉煤灰与水，经离心分离，得到离心液和脱除重金属元素的粉煤灰。
11.发明人经过研究发现，粉煤灰原料中未燃尽碳颗粒具有疏松多孔的特性，易吸附重金属，导致未燃尽碳颗粒中的重金属含量较高，且未燃尽碳颗粒在粉煤灰大颗粒中占比较高。因此，本发明所述粉煤灰中重金属元素的脱除方法首先将粉煤灰原料过筛，在除去其中的较大颗粒杂质的同时，把其中的未燃尽碳分离，有利于降低粉煤灰原料中的重金属含量。
12.采用扫描电镜-能谱和电感耦合等离子体质谱仪等高精度分析检测装置，并基于粉煤灰高反应活性的非晶态二氧化硅包覆惰性晶态莫来石核壳球形结构特点，对过筛后得到的筛下粉煤灰进行了碱法分步溶出化学处理，深入检测分析后发现，粉煤灰中绝大多数的重金属，含量在0.01～100ppm之间，颗粒尺寸小于5nm，且在粉煤灰球形颗粒径向上，由表及里重金属含量逐渐降低，表明筛下粉煤灰的表面存在大量重金属元素，其中有质量百分含量为80％～90％的hg以重金属化合物的形态存在于筛下粉煤灰的表面，质量百分含量为20％～40％的cr、质量百分含量为10％～20％的cd和质量百分含量约为10％的pb以化合物的形态存在于筛下粉煤灰的表面。为了更好地脱除筛下粉煤灰中的重金属元素，本发明将筛下粉煤灰与水混合后进行离心分离，相较于采用过滤分离而言，离心分离可以使富集在粉煤灰颗粒表面的重金属在水流冲击和离心力的多重作用下从粉煤灰表面脱离，并大部分以纳米级小颗粒的形态进入离心液中，离心过程提供了更大的离心力，更有利于粉煤灰大颗粒与重金属纳米颗粒通过离心力的差异实现充分分离，得到脱除重金属元素的粉煤灰。而且，通过本发明所述的物理方法脱除粉煤灰中的重金属不会产生二次污染，得到的脱除重金属元素的粉煤灰对环境的危害显著降低，有利于实现其高附加值利用，同时也解决了粉煤灰大量堆积对环境造成污染的问题。
13.优选地，步骤(1)所述筛分处理的筛孔尺寸为40目～100目，例如可以是40目、50目、60目、70目、90目或100目等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为60目～80目。
14.优选地，步骤(2)所述筛下粉煤灰与水的液固比为1:3～1:40g/ml，例如可以是1：3g/ml、1：5g/ml、1：10g/ml、1：15g/ml、1：20g/ml、1：25g/ml、1：30g/ml、1：35g/ml或1：40g/ml等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为1:5～1:25g/ml。
15.本发明进一步优选步骤(2)所述筛下粉煤灰与水的液固比为1:3～1:40g/ml，液固比过小则浆料过于粘稠，不利于重金属与粉煤灰的分离，降低重金属脱除效果；液固比过大则用水量过大，增大离心分离设备负担，造成不必要的浪费。
16.优选地，步骤(2)所述筛下粉煤灰与水混合的时间为0.1～3h，例如可以是0.1h、0.3h、0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h或3h等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为0.5～1h。
17.优选地，步骤(2)所述离心分离的转速为2000～8000r/min，例如可以是2000r/min、3000r/min、4000r/min、5000r/min、6000r/min、7000r/min或8000r/min等，但不限于所
列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为4000～6000r/min。
18.优选地，所述离心分离的时间为5～120min，例如可以是5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min、65min、70min、75min、80min、85min、90min、95min、100min、105min、110min、115min或120min等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为20～60min。
19.本发明进一步优选步骤(2)所述离心分离的转速为2000～8000r/min，既可以实现粉煤灰表面的重金属高效脱除，又可以节约离心分离处理的能耗。
20.优选地，对步骤(2)所述脱除重金属元素的粉煤灰进行烘干处理。
21.优选地，所述烘干处理的温度为60～160℃，例如可以是60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃或160℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为100～130℃。
22.优选地，所述烘干处理的时间为0.5～8h，例如可以是0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、4h、5h、6h、7h或8h等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为2～4h。
23.作为本发明的优选技术方案，所述脱除方法包括如下步骤：
24.(1)粉煤灰原料经过筛孔尺寸为40目～100目的筛进行筛分处理，得到筛上物颗粒和筛下粉煤灰；
25.(2)按照液固比为1:3～1:40g/ml混合步骤(1)所述筛下粉煤灰与水0.1～4h，经转速为2000～8000r/min的离心分离5～120min，得到离心液和脱除重金属元素的粉煤灰；对所述脱除重金属元素的粉煤灰进行温度为60～160℃的烘干处理0.5～8h。
26.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
27.(1)本发明提供的粉煤灰中重金属元素的脱除方法对粉煤灰中重金属元素hg、cd、cr和pb的脱除率达到5％～80％，实现了粉煤灰中重金属元素的脱除；
28.(2)本发明提供的粉煤灰中重金属元素的脱除方法均为物理方法，不会产生二次污染，得到的脱除重金属元素的粉煤灰对环境的危害显著降低，有利于实现其高附加值利用，同时也解决了粉煤灰大量堆积对环境造成污染的问题；
29.(3)本发明提供的粉煤灰中重金属元素的脱除方法得到的筛上颗粒主要是未燃尽碳，可以进行二次利用，提高经济效益。
具体实施方式
30.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
31.实施例1
32.本实施例提供一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法，所述脱除方法包括如下步骤：
33.(1)粉煤灰原料经过筛孔尺寸为100目的筛进行筛分处理，得到筛上物颗粒和筛下粉煤灰；
34.(2)按照液固比为1:25g/ml混合步骤(1)所述筛下粉煤灰与去离子水0.5h，经转速为8000r/min的离心分离40min，得到离心液和脱除重金属元素的粉煤灰；对所述脱除重金
属元素的粉煤灰进行温度为110℃的烘干处理4h。
35.实施例2
36.本实施例提供一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法，所述脱除方法包括如下步骤：
37.(1)粉煤灰原料经过筛孔尺寸为60目的筛进行筛分处理，得到筛上物颗粒和筛下粉煤灰；
38.(2)按照液固比为1:20g/ml混合步骤(1)所述筛下粉煤灰与蒸馏水0.6h，经转速为4000r/min的离心分离30min，得到离心液和脱除重金属元素的粉煤灰；对所述脱除重金属元素的粉煤灰进行温度为120℃的烘干处理3h。
39.实施例3
40.本实施例提供一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法，所述脱除方法包括如下步骤：
41.(1)粉煤灰原料经过筛孔尺寸为40目的筛进行筛分处理，得到筛上物颗粒和筛下粉煤灰；
42.(2)按照液固比为1:30g/ml混合步骤(1)所述筛下粉煤灰与纯水1h，经转速为6000r/min的离心分离10min，得到离心液和脱除重金属元素的粉煤灰；对所述脱除重金属元素的粉煤灰进行温度为105℃的烘干处理5h。
43.实施例4
44.本实施例提供一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法，所述脱除方法包括如下步骤：
45.(1)粉煤灰原料经过筛孔尺寸为80目的筛进行筛分处理，得到筛上物颗粒和筛下粉煤灰；
46.(2)按照液固比为1:35g/ml混合步骤(1)所述筛下粉煤灰与去离子水0.8h，经转速为5000r/min的离心分离50min，得到离心液和脱除重金属元素的粉煤灰；对所述脱除重金属元素的粉煤灰进行温度为115℃的烘干处理6h。
47.实施例5
48.本实施例提供一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法，所述脱除方法除了步骤(2)中筛下粉煤灰与去离子水的液固比为1:1g/ml外，其余均与实施例1相同。
49.实施例6
50.本实施例提供一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法，所述脱除方法除了步骤(2)中筛下粉煤灰与去离子水的液固比为1:50g/ml外，其余均与实施例1相同。
51.实施例7
52.本实施例提供一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法，所述脱除方法除了步骤(2)中离心分离的转速为1000r/min外，其余均与实施例1相同。
53.实施例8
54.本实施例提供一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法，所述脱除方法除了步骤(2)中离心分离的转速为9000r/min外，其余均与实施例1相同。
55.对比例1
56.本对比例提供一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法，所述脱除方法除了不进行步
骤(1)外，其余均与实施例1相同。
57.对比例2
58.本对比例提供一种粉煤灰中重金属元素的脱除方法，所述脱除方法除了将步骤(2)中的离心分离替换为过滤处理外，其余均与实施例1相同。
59.上述实施例和对比例中重金属元素hg、cd、cr和pb的脱除率数据如表1所示。
60.表1
[0061][0062][0063]
(1)综合实施例1～8可以看出，本发明提供的粉煤灰中重金属元素的脱除方法对不同重金属元素cr、cd、hg和pb均具有一定脱除效果，其中汞的脱除效果最好，最高可以达到80％以上；
[0064]
(2)综合实施例1与实施例5～6可以看出，实施例1步骤(2)中筛下粉煤灰与去离子水的液固比为1:25g/ml，相较于实施例5和6步骤(2)中筛下粉煤灰与去离子水的液固比分别为1:1g/ml和1:50g/ml而言，实施例1中cr的脱除率为20.0％，cd的脱除率为12.0％，hg的脱除率为89.1％，pb的脱除率为9.1％，而实施例5中由于筛下粉煤灰与去离子水的液固比过小，导致浆料过于粘稠，不利于重金属与粉煤灰的分离，cr的脱除率仅为16.3％，cd的脱除率仅为7.6％，hg的脱除率仅为75.9％，pb的脱除率仅为3.0％，实施例6中虽然重金属元素cr、cd、hg和pb的脱除率与实施例1相比仅略微降低，但筛下粉煤灰与去离子水的液固比过大，会导致用水量过大，增大离心分离设备负担，造成不必要的浪费；由此表明，本发明将筛下粉煤灰与去离子水的液固比限定在特定范围之内，既可以保证粉煤灰中重金属的脱除效果，又能减少水资源浪费；
[0065]
(3)综合实施例1与实施例7～8可以看出，实施例1步骤(2)中离心分离的转速为8000r/min，相较于实施例7和8步骤(2)中离心分离的转速分别为1000r/min和9000r/min而言，实施例1中重金属元素cr、cd、hg和pb的脱除率均比实施例7和8中各重金属元素的脱除率高；由此表明，本发明将离心分离的转速限定在特定范围之内，既可以实现粉煤灰表面的重金属高效脱除，又可以节约离心分离处理的能耗；
[0066]
(4)综合实施例1与对比例1可以看出，实施例1中所述脱除方法进行步骤(1)筛分处理，相较于对比例1不进行步骤(1)而言，对比例1的粉煤灰原料中未燃尽碳颗粒较多，其表面吸附有大量重金属元素，后续虽然经过与实施例1相同的处理步骤，但重金属元素的脱除效果较差，cr的脱除率仅为12.6％，cd的脱除率仅为2.3％，hg的脱除率仅为75.8％，pb的脱除率仅为2.6％；由此表明，本发明首先将粉煤灰原料过筛处理，除去其中的较大颗粒杂质，同时把其中的未燃尽碳分离，大大降低了粉煤灰原料中的重金属含量，提高了重金属元素的脱除率；
[0067]
(5)综合实施例1与对比例2可以看出，实施例1步骤(2)中将筛下粉煤灰与去离子水的混合物进行离心分离，相较于对比例2中筛下粉煤灰与去离子水的混合物为过滤处理而言，实施例1中重金属元素的脱除率远远大于对比例2；离心分离可以使富集在粉煤灰颗粒表面的重金属在水流冲击和离心力的多重作用下从粉煤灰表面脱离，进入离心液中，离心过程提供了更大的离心力，更有利于粉煤灰与重金属通过离心力的差异实现充分分离。
[0068]
综上所述，本发明提供的粉煤灰中重金属元素的脱除方法实现了粉煤灰中重金属元素的脱除，只用物理方法对粉煤灰进行处理，解决了粉煤灰对环境造成的危害，提高了其附加利用价值。
[0069]
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。