专利名称：利用粉煤灰提取磁性矿物修复水体重金属污染的方法
技术领域：
本发明属于固废处理和环境污染治理技术领域，具体涉及一种利用粉 煤灰提取磁性矿物治理水体中重金属污染的方法。
背景技术：
工业化和人类活动造成的水体和土壤重金属污染是当前人类面临的 严重环境问题。由于重金属污染具有多源性、滞后性、累积性、不可生物 降解性等特点，并能通过食物链最终危及人类的生命和健康。因此，重金 属污染的治理是环境资源领域的重大任务。目前，按照重金属污染治理的 原理，重金属污染治理方法主要有化学法、物理化学法、生物法和矿物法。 其中，化学法(如化学沉淀法、氧化还原法等)处理重金属污染技术容易
实现，但治理成本往往丰支高、易产生二次污染；物理化学法(如离子交换 法、电解法、吸附法、反渗透法等)往往操作和原材料成本较高；生物法 (如微生物吸附、植物吸收等)虽然材料丰富、操作成本低、去除效果好， 但还处于实验室试验阶段；矿物法类似于生物处理，利用矿物及其矿物改 性产物具有的表面吸附、离子交换、孔道过滤和化学活性治理重金属污染 和修复环境功能。矿物法治理重金属污染具有矿物来源广泛、成本低，可 以直接经机械加工或经适当的改性和化学处理即可应用，而且吸附后的脱 附工艺简单，环境协调性好等特点，是一种资源节约和环境友好型的重金 属污染处理方法。
目前常用的重金属治理用环境矿物有二大类，第一类是金属类矿物， 如天然的铁锰氧化物矿物(氧化铁、疏铁矿、黄铁矿、软锰矿等)，这类 矿物对处理C,、 Cu2+、 Pb2+、 Hg2+、 Cd"等污染有良好的效果。第二类是 非金属矿物，如蒙脱石、膨润土、硅藻土、沸石、磷灰石、翁土矿物等。 其中铁(氢)氧化物矿物在自然界广泛存在，特别是赤铁矿(a-Fe203)、 磁铁矿(Fe30"、针铁矿(ot -FeOOH)因其具有较大的表面积和较强的吸附能 力，是目前常用的重金属污染环境治理矿物。研究表明，利用铁氧化物矿物具有的极性表面和较高的比表面积，吸附环境中的重金属离子是一种经 济、有效的固定水体和土壤中重金属的材料。
目前在重金属污染环境治理中应用的氧化铁矿物主要有人工合成的 氧化铁和天然氧化铁矿物两类。人工合成的氧化铁矿物因纯度高、粒度细， 重金属的去除效果高，但成本高，难以大量推广。近年，发展以天然矿物 或富含氧化铁的工业固体废渣作骨料，再将一定形态的氧化铁固定在矿物 骨料表面，制成经过改性的、性能更优的环境矿物材料作为吸附重金属和
有机污染物的材料。如黏土-磁铁矿-Fe(OH)3共沉淀体系作为重金属的吸 附剂；利用化学-热包膜技术在废渣上包被氧化铁作为吸附剂，有效去除 As(V)和As(m)等。这些改性或合成的氧化铁材料要求一定的工艺处理 和操作步骤，且使用条件有一定限制。
在自然界中有许多具有天然净化功能的氧化铁矿物，特别是许多富铁 的工业固体废物中如粉煤灰、铁尾矿、红泥、钢渣等，它们富含磁性氧化
铁，能否利用这些固体废物中的氧化铁作为吸附固定重金属和有机污染物 的新材料，成为一种新的选择。虽然直接利用粉煤灰固定土壤重金属已有 成功的经验，但由于处理需要的用量大，可能产生二次污染等。因此，利 用氧化铁具有的磁性特征，可通过磁分离技术，将它们有效地从工业固体 废物中分离出来，利用氧化铁对重金属的固定和吸附性能，作为治理水体 和土壤重金属污染的环保材料是一新的思路。
粉煤灰是我国最丰富的固体废物，也是十分严重的环境污染物，处理 量非常大，粉煤灰的年排放量达1.6亿吨以上。粉煤灰中含有一定量由煤 炭燃烧过程中形成的赤铁矿和磁铁矿等磁性矿物，由于工业固体废物矿物 材料储量大，设计的提取方法简单、成本低廉，操作简易且效果好、无二 次污染，达到固废处理和环境治理有机结合，是环境友好和工艺上可应用 的 一种重金属污染环境修复技术。
发明内容
本发明提供一种固废利用和重金属污染环境修复结合，低成本、易操 作的重金属污染环境修复方法。 本发明方法的具体步骤是 (1)磁性矿物提取
4将粉煤灰和水配制成灰浆，抽取灰浆至高梯度磁分离器，灰浆中的磁 性矿物被吸附至高梯度磁分离器内，非磁性部分从高梯度磁分离器排出后 被继续抽取至高梯度磁分离器，通过循环反复若干次提取，将粉煤灰中的
磁性颗粒完全提取；
(2 )磁性矿物清洗
抽取清水至高梯度磁分离器，循环反复若干次，利用清水循环清洗管 路和磁性矿物颗粒上黏附的其他矿物颗粒；取下高梯度^f兹分离器上磁性矿 物颗粒，备用；
(3)水体重金属污染修复
将步骤(2)得到的磁性矿物与重金属污染废水混合后抽取至高梯度 磁分离器，循环反复若干次，处理后的废水排放，高梯度磁分离器内的磁 性矿物回ij欠。
所述的高梯度磁分离器可采用现有装置，也可自制，自制的结构简单 的高梯度磁分离器由5-6个永磁铁组成，使用前永磁铁外包塑料膜，磁分 离完成后，可方便地将塑料膜取下，这样可防止磁性颗粒黏附在永磁铁上。
所述的灰浆最优由粉煤灰和7jc按照质量比i: 7-12配制，该浓度的灰
浆最利于灰浆的循环和^f兹性矿物的吸附，浓度过高，循环不通畅，能耗大， 浓度过低，提取效率低。
所述的(1)磁性矿物提取、(2)磁性矿物清洗、(3 )水体重金属 污染修复在带搅拌器的容器、蠕动泵、高梯度磁分离器和环形管路组成的 提取装置中完成。
本发明的特点是
1、 本发明采用循环系统设计，灰浆配制、磁性矿物提取、清洗和去 除水中重金属均可在一套系统内完成，自动化程度高、操作简便、不需化 学试剂。
2、 本发明方法磁性矿物提取完全、提取效率高。提取后的粉煤灰， 磁化率在40xlO-S-50xlO-Si^kg"之间，提取效率卯％以上，提取的磁性矿 物纯度高。
3、 固废处理和重金属污染环境修复有机结合，治理成本低，磁性吸 附剂可回收循环利用，不产生二次污染，。
4、 提取的磁性矿物用途广，即可作为水体中重金属的吸附剂，又可作为土壤中重金属的固定剂。将提取的磁性矿物风干，磨细过100目；以 0.1%比例施入重金属污染土壤，控制土壤水分在田间持水量附近，时间 5-6个月，利用磁性矿物的吸附功能和氧化还原功能将土壤中的活性重金 属固定。重金属污染土壤修复结束后，可根据需要将磁性矿物回收或留在 土壤中。磁性矿物回收程序将土壤风干，过2mm筛，直接利用包被保 鲜膜或保鲜袋的^F兹分离器将土壤中的磁性矿物回收。
图1为本发明方法的循环系统的示意图。
图2为粉煤灰中提取磁性矿物表面结构的扫描电子显微镜照片。
具体实施例方式
如图1所示，容器1带有搅拌器5，容器1的底部设有三通阀7,容 器l、蠕动泵2和高梯度磁分离器3通过橡皮管4连通，高梯度^f兹分离器 3由6块永磁铁组成，
将收集的火电厂粉煤灰约200g置于容器1中，加水至粉煤灰和水的 比例约l: 10;打开搅拌器5，以100-200转/分转速搅拌5-10分钟，形成 均匀的粉煤灰灰浆。
打开三通阀7，设定蠕动泵2转速150-200转/分，粉煤灰灰浆进入环 形管路，通过蠕动泵2驱动形成粉煤灰灰浆环流；粉煤灰灰浆匀速通过高 梯度磁分离器3，灰浆中的磁性矿物吸附至永磁铁上，打开开关6,粉煤 灰灰浆中的非磁性部分经环形管路回到容器1;回到容器1的粉煤灰灰浆 经搅拌器5搅拌，再通过蠕动泵2驱动进入环流回路，进行第二次提取； 经30-60分钟连续分离(分离时间可根据粉煤灰中的磁性矿物数量进行调 节)，通过循环反复多次提取，将粉煤灰中的磁性颗粒完全提取，粉煤灰 中磁性矿物提取率达90%以上。
永磁铁外包塑料保鲜膜或套保鲜袋，磁分离完成后，可方便地将保鲜 膜或保鲜袋取下，这样可防止磁性颗粒黏附在永》兹铁上。
关闭搅拌器5和蠕动泵2，打开三通阀7，将剩余粉煤灰灰浆放出容 器l;粉煤灰灰浆放完后，关闭三通阀7;放入1-2L清水；打开蠕动泵2 开关，利用清水循环清洗管路和》兹性矿物颗粒上黏附的其他矿物颗粒；取下高梯度^f兹分离器上磁性矿物颗粒，备用。
取下经清洗的磁性矿物颗粒，放入容器l;注入重金属污染废水；打 开搅拌器5，搅拌5-10分钟；打开三通阀7，通过5-10分钟循环回收，将 废水中的/F兹性矿物回收；处理后的废水经三通阀7排出。
实施例1
采集浙江省8个主要火电厂的粉煤灰，应用上述提取方法，经30分 钟循环提取磁性矿物。经提取前后的粉煤灰磁性测定，磁性矿物提取率在 90%以上，提取后的粉煤灰磁化率在42xlO义56xlO-SmSkg";提取的磁性矿 物组成主要是赤铁矿和磁铁矿；8个火电厂粉煤灰的磁性矿物含量在 2.2%-16.3%,其》兹性矿物含量的差异主要取决于燃煤的来源和燃烧温度等 因素。提取的磁性矿物经XRD、磁测和扫描电子显微镜检测，证明粉煤 灰中提取的磁性矿物类型是赤铁矿(0t-Fe2O3)和磁铁矿(Fe304),磁化率在 3780xl0-8-13082xl(T8i^kg",饱和等温剩磁SST^xlO-^GS^xlO^An^kg^
实施例2
含CcP废水的去除用CdSO4.H2O配成含50mg/LCd"溶液，添加实 施例1粉煤灰中提取的磁性矿物1 g/L,经30分钟和1小时去除反应，循 环分离磁性矿物后，经测定磁性矿物对Cc^+去除率分别达88%和89%。
实施例3
含Pb"废水的去除用Pb(NO3)2配成含50mg/LPb"溶液，添加应用 本装置从半山火电厂粉煤灰中提取的磁性矿物1 g/L，经30分钟和1小时 去除反应，循环分离磁性矿物后，经测定Pb"去除率分别达94和980/0。
实施例4
含Cu"和Pb"废水的去除用CuS04.H20和Pb(N03)2配成含50mg/L Cu"和Pb"溶液，添加应用本装置从半山火电厂粉煤灰中提取的磁性矿物 1 g/L,经30分钟和1小时去除反应，循环分离磁性矿物后，经测定，Cu2+ 去除率分别达31%和32%, Pl^+去除率分别达62°/。和66%。
权利要求
1、一种利用粉煤灰提取磁性矿物修复水体重金属污染的方法，包括如下步骤(1)磁性矿物提取将粉煤灰和水配制成灰浆，抽取灰浆至高梯度磁分离器，灰浆中的磁性矿物被吸附至高梯度磁分离器内，非磁性部分从高梯度磁分离器排出后被继续抽取至高梯度磁分离器，循环反复若干次；(2)磁性矿物清洗抽取清水至高梯度磁分离器，循环反复若干次，利用清水循环清洗管路和磁性矿物颗粒上黏附的其他矿物颗粒；取下高梯度磁分离器上磁性矿物颗粒，备用；(3)水体重金属污染修复将步骤(2)得到的磁性矿物与重金属污染废水混合后抽取至高梯度磁分离器，循环反复若干次，处理后的废水排放，高梯度磁分离器内的磁性矿物回收。
2、 如权利要求l所述的方法，其特征在于所述的高梯度磁分离器 由5-6个永磁铁组成，使用前永磁铁外包塑料膜。
3、 如权利要求l所述的方法，其特征在于所述的灰浆中粉煤灰和 水的质量比为1: 7-12。
4、 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的(1)磁性矿物提 取、(2)磁性矿物清洗、(3)水体重金属污染修复在带搅拌器的容器、 蠕动泵、高梯度》兹分离器和环形管路组成的提取装置中完成。
全文摘要
本发明公开了一种利用粉煤灰提取磁性矿物修复水体重金属污染的方法，将粉煤灰配制成灰浆，利用提取装置，循环反复多次提取粉煤灰中的磁性矿物；利用提取的磁性矿物，通过提取装置，循环去除废水中的重金属和回收磁性矿物。本发明方法磁性矿物提取和去除水中重金属在一套系统内完成，操作简便、提取效率高，不需化学试剂。本发明方法将固废处理和重金属污染环境修复有机结合，治理成本低，吸附剂可回收循环利用，不产生二次污染。
文档编号B01J20/06GK101612548SQ20091010068
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月16日 优先权日2009年7月16日
发明者卢升高 申请人:浙江大学