矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝和該工藝製備出的聚矽鋁鐵絮凝劑的製作方法

2023-04-26 17:59:46

專利名稱：矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝和該工藝製備出的聚矽鋁鐵絮凝劑的製作方法
矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝和該工藝製備出的聚矽鋁
鐵絮凝劑技術領域：
本發明涉及一種物質的製備工藝和根據該工藝製備所得的物質，特別是從煤矸石或者 粉煤灰中製備聚矽鋁鐵絮凝劑的工藝方法，以及用該工藝製備出的聚矽鋁鐵絮凝劑。背景技術：
近年來，在能源危機和資源危機日益嚴重的情況下，利用廢棄物中含量較高的有用元 素，以工業廢棄物為原料製備高效混凝劑，充分利用可開發資源是當今世界混凝劑研究發 展的主要潮流之一。變廢為寶，以廢治廢，是環境治理及廢物再資源化最有前途的發展方 向。矸石基原料主要包括煤矸石和粉煤灰。我國是全球最大的煤開採國，隨煤的開採被帶 到地面的煤矸石，已成為最大的固體廢物源，因此煤矸石的綜合處理已成為人們非常關注 和亟待解決的問題。煤矸石中含有大量的鐵、矽、鋁等元素，利用其合成無機絮凝劑近年來 已引起人們極大的研究熱情。而粉煤灰是經過電廠高溫灼燒後的產物，其中矽、鋁、鐵元素 可以溶出，因此利用粉煤灰製備各種絮凝劑近年來也是絮凝劑領域的一個研究熱點。活性矽酸金屬鹽類絮凝劑中主要包括聚矽鋁鐵、聚矽鋁與聚矽酸鐵，三者比較，聚 矽鋁鐵在絮凝效果上更佔有優勢。目前，國內外矸石基原料工業化製備聚矽聚矽鋁鐵絮凝劑的合成方法主要有
1、聚合鋁鐵加入到製備好的聚合矽酸中形成聚矽鋁鐵國家知識產權局2006年7月 26日授權公告，授權公告號CN1266038C的發明專利《聚聚矽鋁鐵的合成方法》中公開的一 種合成工藝，該工藝將製備的硫酸鐵加入到粉煤灰酸提液中，在固體Na2C03攪拌的條件下 靜置後形成聚合鋁鐵，繼之加入到製備好的聚合矽酸中形成聚矽鋁鐵成品。該種製備方法 要使用大量的含鐵原材料，且製備工藝繁瑣，所得出的聚矽鋁鐵絮凝劑聚合度較低，處理效 率及處理水平有限。需要對粉煤灰在活化劑參與下經高溫焙燒(80(T85(TC，ri2h)，以溶出 其所含矽、鋁、鐵元素，所需能源較大。2、製備聚矽酸鋁後外加鐵鹽得到聚矽鋁鐵絮凝劑矸石基原料製備聚矽酸鋁的工 藝，如國家知識產權局於2008年1月16日公布的申請號為CN200710137852. 5的《從煤矸 石製備活性炭-氧化物複合吸附材料及聚矽鋁的工藝方法》發明專利申請中所公開的工 藝步驟，該工藝步驟包括煤矸石配料、活化、鹼提活化加熱回流、酸提活化加熱回流、水洗烘 幹、常溫熟化、乾燥。但該種工藝只能提取煤矸石中的矽、鋁成份，且提取效率低，如要得到 聚矽鋁鐵絮凝劑，還需額外加入鐵鹽，增加製備成本。且該種工藝需兩次加熱回流，水資源 浪費巨大。
發明內容
本發明的技術任務是針對以上現有技術的不足，提供一種矸石基原料中製備聚矽鋁鐵 的工藝，該種工藝可以從矸石基原料中直接製備聚矽鋁鐵，且節省水、熱力等資源。本發明解決其技術問題的技術方案是
一種矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝，其特徵在於以矸石基物料為主要原料製備無 機高分子絮凝劑——聚矽鋁鐵，在合成過程中，採取加熱加壓下鹼提、加熱加壓下酸提、加熱情況下緩慢濃縮聚合，其具體工藝步驟如下
(1)備料活性矸石基原料；
(2)加熱加壓下鹼提在步驟1的活性原料中加入159T30%Na0H溶液，與煤矸石細粉液 固重量比為2 1到6 1 ；反應時間2h，溫度100°C 150°C，壓力為5兆帕 10兆帕，固液分 離，收集的濾液即為鹼提液；
(3)加熱加壓下酸提在步驟2的濾渣中加入109^20%濃度的無機酸溶液，液固重量比 為2 :1到6 :1 ；反應時間2h，溫度100°C 150°C，壓力為5兆帕 10兆帕，固液分離，收集的 濾液即為酸提液，調整所得酸提液的體積等同於步驟2所得鹼提液；
(4)加熱情況下緩慢濃縮聚合將步驟3所得酸提液逐滴加入到步驟2所得鹼提液中， 所述酸提液與鹼提液的體積比為1 :1到2 1 ；反應溫度70°C 100°C，靜置待得到黃褐色半 固體物質。上述步驟3中的無機酸溶液是指鹽酸、硫酸的任意一種或任意比例的混合酸。上述步驟4中調整溶液pH為3 4。上述步驟1中的矸石基活性原料為粉煤灰。上述步驟1中的矸石基活性原料製備工藝為煤矸石粉碎磨細，加入活化劑混合 均勻，將上述混合料600°C、00°C加熱焙燒，保溫1小時得矸石基活性原料。上述活化劑為Na2C03，與煤矸石細粉重量比例為3 :4。上述活化劑為CaC03，與煤矸石細粉重量比例為3 :4。上述活化劑為1 1比例混合的CaC03與NaOH，混合物與煤矸石細粉重量比例為3 4。權利要求1的矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝所製備出聚矽鋁鐵絮凝劑，其特徵 在於為黃褐色半固體物質，其中矽含量為209^30%，鋁含量為159^21%、鐵含量為6% 15%。與現有技術相比較，本發明具有以下優點
1、原材料單一，無需加入其它含鐵原材料，節約成本；
2、加熱、加壓鹼溶和加熱、加壓酸溶的工藝，提高了矸石基原料矽、鋁、鐵元素提取效 率，提高了產品的質量；
3、無需加熱回流，節省水資源，簡化工藝，使之更適合於工業化生產；
4、加熱情況下逐滴混合，緩慢熟化，濃縮聚合所得聚矽鋁鐵絮凝劑聚合度好，處理效率 及處理水平高，水處理用藥量小於常規方法製備的聚矽鋁鐵絮凝劑。
具體實施方式
傳統工藝利用煤矸石或粉煤灰製備聚矽鋁鐵絮凝劑的工藝流程步驟如下
(1)備料粉煤灰或者粉碎磨細煤矸石，加入1.5倍的Na2C03粉末；
(2)活化將上述物料600-850°C加熱焙燒，保溫4小時得矸石基活性原料；
(3)鹼提在步驟2的活化料中加入15%Na0H溶液，與物料液固重量比為51 ；反應時 間2h，溫度100°C，常壓下加熱回流2h，抽濾，收集的濾液即為鹼提液；
(4)酸提在步驟3的濾渣中加入15%HC1溶液，液固重量比為51 ；反應時間2h，溫度 100°C，常壓下加熱回流2h，抽濾，收集的濾液即為酸提液；
(5)根據所需處理廢水性質加入適量硫酸鐵；
(6)熟化將步驟4所得酸提液加入到步驟3所得鹼提液中，酸提液與鹼提液的體積比為1:1 ；保持常溫，靜置待得到棕黃色液體。本發明的實施例1，利用煤矸石製備聚矽鋁鐵絮凝劑，具體步驟如下
(1)配料矸石基原料為煤矸石15g，粉碎磨細，加入與物料體積比3:4的CaCO3混合均
勻；
(2)活化將上述物料600°C加熱焙燒，保溫1小時得矸石基活性原料；
(3)加熱加壓下鹼提在步驟2的活化料中加入15%Na0H溶液，與煤矸石細粉液固重量比為2 1 ；反應時間2h，溫度100°C，壓力5兆帕，固液分離，收集的濾液即為鹼提液；
(4)加熱加壓下酸提在步驟3的濾渣中加入10%HC1溶液，液固重量比為21 ；反應時 間2h，溫度100°C，壓力5兆帕，固液分離，收集的濾液即為酸提液，調整所得酸提液的體積 等同於步驟3所得鹼提液；
(5)加熱情況下緩慢濃縮聚合將步驟4所得酸提液逐滴加入到步驟3所得鹼提液中， 所述酸提液與鹼提液的體積比為1 :1 ；反應溫度70°C，調整溶液pH為;Γ4，靜置2h後得到 黃褐色半固體。該種工藝方案中使用CaCO3活化，成本價格低廉，沉降快。本發明實施例2，利用煤矸石製備聚矽鋁鐵絮凝劑，其中，步驟1中加入活化劑為 與物料體積比3 4的Na2CO3 ；加熱焙燒溫度為800°C ；NaOH溶液濃度為30%，HCl溶液濃度 為20%，酸提、鹼提中酸鹼與煤矸石細粉的液固重量比均為6 1 』溫度150°C，壓力10兆帕； 濃縮聚合步驟中的酸提液與鹼提液的體積比為2 1，反應溫度100°C，靜置2h後得到黃褐色 半固體。其餘參數步驟同實施例1。本發明實施例3，利用煤矸石製備聚矽鋁鐵絮凝劑，其中，步驟1中加入活化劑為 與物料體積比3 :4的1 1比例混合的CaCO3與NaOH ；加熱焙燒溫度為700°C ；NaOH溶液濃度 為20%，H2SO4溶液濃度為15%，酸提、鹼提中酸鹼與煤矸石細粉的液固重量比均為4 1 ；溫度 120°C，壓力8兆帕；濃縮聚合步驟中的酸提液與鹼提液的體積比為1. 5 :1，反應溫度80°C， 靜置2h後得到黃褐色半固體。其餘參數步驟同實施例1。實施例廣3中所述工藝，煤矸石為原料加熱加壓下鹼提和加熱加壓下酸提較傳統 工藝矽提取率提高5 11. 5%，鋁提取率提高約9 17%，鐵提取率提高4 5%。且避免了加熱回流，節省了水資源的浪費。傳統工藝中活化過程中需60(T85(TC高溫焙燒，保溫壙12h，本發明中公開的工藝 6000C、00°C加熱焙燒，保溫1小時即可得矸石基活性原料，使用的能源得到了節省，符合 節能減排的環保要求。本發明實施例4 利用粉煤灰製備聚矽鋁鐵絮凝劑，具體步驟如下
(1)配料矸石基原料為粉煤灰15g；
(2)加熱加壓下鹼提在步驟2的活化料中加入20%Na0H溶液，與煤矸石細粉液固重量 比為4 1 ；反應時間2h，溫度120°C，壓力8兆帕，固液分離，收集的濾液即為鹼提液；
(3)加熱加壓下酸提活化在步驟3的濾渣中加入15%HC1溶液，液固重量比為21 ；反 應時間2h，溫度120°C，壓力8兆帕，固液分離，收集的濾液即為酸提液，調整所得酸提液的 體積等同於步驟2所得鹼提液；
(4)加熱情況下緩慢濃縮聚合將步驟4所得酸提液逐滴加入到步驟3所得鹼提液中， 酸提液與鹼提液的體積比為1 :1 ；反應溫度80°C，調整溶液pH為;Γ4，靜置2h後得到黃褐色半固體物質。該種工藝，粉煤灰無需活化劑輔助，且省略了高溫焙燒的步驟，節約原材料成本和 能源。簡化了製備工藝，更適合於工業化生產。本發明實施例5 利用粉煤灰製備聚矽鋁鐵絮凝劑，其中，酸鹼兩步反應條件是 液固重量比為2 1 』溫度100°C，壓力5兆帕。濃縮聚合反應溫度70°C，靜置2h後得到黃褐 色半固體物質。其餘同實施例4。本發明實施例6 利用粉煤灰製備聚矽鋁鐵絮凝劑，其中，酸鹼兩步反應條件是 液固重量比為6 1 』溫度150°C，壓力10兆帕。濃縮聚合反應溫度100°C，靜置2h後得到黃 褐色半固體物質。其餘同實施例4。實施例4飛所述工藝，粉煤灰為原料加熱加壓下鹼提和加熱加壓下酸提較傳統工 藝矽提取率提高5. 5 11. 2%，鋁提取率提高約8. 7 16. 2%，鐵提取率提高4. 4 5. 4%。以上實施例製備工藝所得的聚矽鋁鐵絮凝劑為黃褐色半固體物質，其中矽含量為 20% 30%，鋁含量為15% 21%、鐵含量為6% 15%。上述工藝中，將酸提液逐滴加入鹼提液中，並將酸鹼提取液的混合液進行緩慢濃 縮聚合，所得到黃褐色半固體狀聚矽鋁鐵絮凝劑，使其聚合更充分，即增加了其聚合度，提 高了絮凝劑處理效率及處理水平。高COD廢水處理實驗結果表明，處理5ml勝利油田鑽井廢水需加入由IOg煤矸石 所得絮凝劑量的1. 25%，經過工藝改進後需加入同樣量煤矸石所得產品的0. 3%，用藥量降 低約76%。處理勝利油田鑽井廢水所得體系中形成的絮體密實度遠高於未優化前體系中所 形成絮體的密實度。經過本發明中公開的工藝製備的聚矽鋁鐵絮凝劑其中矽鋁鐵聚合狀態 最佳，絮凝能力增強。與傳統工藝生產的絮凝劑比較，其不同處在於絮凝劑存在狀態不同， 矽鋁鐵聚合狀態亦會有所改變，因此絮凝劑能力也不相同。廢水加入本發明中公開的工藝製備的聚矽鋁鐵絮凝劑，形成絮體懸浮于澄清夜上 層，上下倒置容器10次後絮體亦不被破壞，下層液仍澄清。而採用傳統工藝所得聚矽鋁鐵 絮凝劑形成絮體沉降於體系的底部，倒置容器一次，絮體即重新分散，體系變得渾濁。說明 本發明中公開的工藝製備的聚矽鋁鐵絮凝劑聚合度增高，顯著提高了其處理效率及處理水 平。
權利要求
一種矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝，其特徵在於以矸石基物料為主要原料，製備無機高分子絮凝劑——聚矽鋁鐵，在合成過程中，採取加熱加壓下鹼提、加熱加壓下酸提、加熱情況下緩慢濃縮聚合，其具體工藝步驟如下(1)備料活性矸石基原料；(2)加熱加壓下鹼提在步驟1的活性原料中加入15%~30% NaOH溶液，與煤矸石細粉液固重量比為21到61；反應時間2h，溫度100℃~150℃，壓力為5兆帕~10兆帕，固液分離，收集的濾液即為鹼提液；(3)加熱加壓下酸提在步驟2的濾渣中加入10%~20%濃度的無機酸溶液，液固重量比為21到61；反應時間2h，溫度100℃~150℃，壓力為5兆帕~10兆帕，固液分離，收集的濾液即為酸提液，調整所得酸提液的體積等同於步驟2所得鹼提液；(4)加熱情況下緩慢濃縮聚合將步驟3所得酸提液逐滴加入到步驟2所得鹼提液中，所述酸提液與鹼提液的體積比為11到21；反應溫度70℃~100℃，靜置待得到黃褐色半固體物質。
2.根據權利要求1所述的矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝，其特徵在於所述步驟3中 的無機酸溶液是指鹽酸、硫酸的任意一種或任意比例的混合酸。
3.根據權利要求1所述的矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝，其特徵在於所述步驟4中 調整溶液PH為;T4。
4.根據權利要求1所述的矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝，其特徵在於所述步驟1中 的矸石基活性原料為粉煤灰。
5.根據權利要求1所述的矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝，其特徵在於所述步驟1 中的矸石基活性原料製備工藝為煤矸石粉碎磨細，加入活化劑混合均勻，將上述混合料 600°C、00°C加熱焙燒，保溫1小時得矸石基活性原料。
6.根據權利要求5所述的矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝，其特徵在於所述活化劑為 Na2C03，與煤矸石細粉重量比例為3 :4。
7.根據權利要求5所述的矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝，其特徵在於所述活化劑為 CaC03，與煤矸石細粉重量比例為3 :4。
8.根據權利要求5所述的矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝，其特徵在於所述活化劑為 1 1比例混合的CaC03與NaOH，混合物與煤矸石細粉重量比例為3 :4。
9.權利要求1的矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝所製備出聚矽鋁鐵絮凝劑，其特徵在 於為黃褐色半固體物質，其中矽含量為209^30%，鋁含量為159^21%、鐵含量為6% 15%。
全文摘要
本發明公開了一種矸石基原料製備聚矽鋁鐵的工藝和該工藝製備出的聚矽鋁鐵絮凝劑。其特徵在於以矸石基物料為主要原料製備無機高分子絮凝劑——聚矽鋁鐵，在合成過程中，活性矸石基原料備料、加熱加壓下鹼提、加熱加壓下酸提、加熱情況下緩慢濃縮聚合。該工藝所製備出聚矽鋁鐵絮凝劑，其特徵在於為黃褐色半固體物質，其中矽含量為20%~30%，鋁含量為15%~21%、鐵含量為6%~15%。與現有技術相比較，本發明簡化工藝、節約能源、提取效率高，所得聚矽鋁鐵絮凝劑聚合度好、處理效率及處理水平高、水處理用藥量小於常規方法製備的聚矽鋁鐵絮凝劑。
文檔編號C02F1/52GK101830477SQ20101019703
公開日2010年9月15日 申請日期2010年6月10日 優先權日2010年6月10日
發明者丁林, 全先高, 王慧雲, 郭繼香 申請人:濟寧醫學院