一種用鋁廠廢棄物合成聚合鹼式矽硫酸鋁的方法

2023-04-30 14:06:11

專利名稱：一種用鋁廠廢棄物合成聚合鹼式矽硫酸鋁的方法
技術領域：
本發明涉及一種採用鋁廠廢棄物為原料，合成聚合鹼式矽硫酸鋁新型無機絮凝劑的方法。其產品主要用於水處理、紙漿、造紙和蔗糖等工業部門。硫酸鋁是最常用的水處理絮凝劑，儘管應用十分廣泛，但存在看低溫性能差，使用後鋁殘留量高等缺點。聚合硫酸鋁雖然克服了上述缺點，但也存在著穩定性能差和副產物損耗大等致命弱點。
聚合鹼式矽硫酸鋁，簡稱PASS，是一種鹼式多核羥基矽硫酸鋁複合物，其組成簡式為AlA(OH)B(SO4)C(SiOX)D(H2O)E，其中A為1.0，B＝0.75～2.0，C＝0.30～1.12，D＝0.005～0.1，2.0＜X≤4.0[即3＝B+2C+2D(X-2)]，E＞4(產品為水溶液時)。複合物水溶液的鹼度為40～60％。PASS性能優越，具有很高的穩定性，它含有較多的活性鋁，因此用量省，處理後鋁殘留量低，能生成高密度的絮狀物，沉澱速度快，宜用於飲用水處理；比其它無機絮凝劑低溫性能好。較聚合硫酸鋁腐蝕性小，更加有利於造紙工業。1989年漢迪化學品公司首先發布了新型絮凝劑PASS研究成功的消息，並於1991年在加拿大魁北克省投產，年產量6000萬磅，同年七月又將生產能力擴大一倍。此外，還在日本和英國分別建成了年產2萬噸的工廠。近年，國內也有關於這方面的研究報導，但他們都是採用硫酸鋁與高模數的鹼金屬矽酸鹽和鹼金屬鋁酸鹽等化學試劑為原料合成的；用鋁廠廢棄物合成PASS，至今國內外尚未見到報導。
長期以來，一般鋁廠在生產精煉鋁及鋁型材加工過程中，都產生大量的廢渣、廢酸和廢鹼。其中廢渣是在高溫精煉鋁過程產生的，是含有部分鋁屑、氮化鋁和碳化鋁等雜質的α-Al2O3。遇水會不斷產生難聞的氫氧化銨和乙炔，棄之荒野，不但會破壞土壤，而且會嚴重汙染大氣環境。而廢酸是含有少量硫酸鋁的硫酸溶液。廢鹼是含有少量鋁酸鈉的氫氧化鈉溶液。將這些廢酸廢鹼常年肆意排放，將造成江河汙染，影響沿岸居民的飲水安全。福建有一鋁廠在生產精煉鋁和鋁型材加工過程，產生大量廢棄物，1998年年排放廢渣約15000噸，廢酸、廢鹼約350萬噸，上繳排汙費700萬元，不僅造成嚴重的環境汙染，也浪費了可利用的資源。本發明採用這些廢棄物合成聚合PASS絮凝劑，對消除環境汙染，提高經濟效益具有重要意義。我國水資源總量28000億米3左右，為世界第六位，人均水量約2700米3，是世界人均值的1/4。今後全國每年缺水量將超過300億米3。另外，我國城市工業用水量大，約佔總用水量的70％，而且，工業用水重複率低，可見無機絮凝劑的市場潛力很大。所以，採用鋁廠廢棄物合成PASS無機絮凝劑，具有十分廣闊的應用前景。
本發明的目的在於公開一種採用鋁廠廢棄物合成PASS的方法，即採用鋁廠廢棄物製備的硫酸鋁與鋁酸鈉及高模數鹼金屬矽酸鹽試劑，在水溶液中混合均勻，劇烈攪拌下反應，生成PASS的方法。
實現本發明的技術方案包括如下三個步驟(1)鋁酸鈉和硫酸鋁的製備首先將1500-1800克約含有14％NaOH的廢鹼濃縮至25％左右，置於高壓釜中，加入225克的廢渣，攪拌均勻，在200～400℃溫度下加熱2-8小時，最佳為250～300℃溫度下加熱3-5小時，冷卻，過濾，濾液即為鋁酸鈉溶液。而後，在不斷攪拌下慢慢將廢硫酸注入鋁酸鈉溶液中，直到生成的白色沉澱重新溶解止，過濾，濾液即為硫酸鋁溶液，濃縮、冷卻、即析出硫酸鋁晶體。其中，廢渣與廢鹼混合後在高溫下灼熱的目的在於促使廢渣中的α-Al2O3與廢鹼中的NaOH作用生成鋁酸鈉，否則廢渣中的主含量α-Al2O3在低溫下不可能直接與NaOH溶液反應生成鋁酸鈉。(2)鋁酸鈉的穩定化鋁酸鈉穩定性能的好壞是合成PASS成敗的關鍵，所以必須加以重視。即取1000克相當於含有14％Al2O3的上述鋁酸鈉溶液，加入5克澄清劑攪拌溶解，再加入1克催化劑後，在105--115℃溫度下，與表面活性劑反應，即生成穩定的鋁酸鈉溶液。其中，澄清劑可以是葡萄酸鈉、酒石酸鈉、或擰檬酸鈉等有機酸鹽；催化劑可以是含有自由基的引發劑，有機氧化還原反應的引發劑，自由基先質或還原劑，目的在於促使表面活性劑與鋁酸鈉生成化學鍵。而表面活性劑可以是低聚的產物，也可以是單體，其用量可以是0.02～10％，最佳為1～3％。(3)PASS的合成將360-920克(最佳為441-882克)相當於含有25.5％SiO2的高模數矽酸鈉溶液，加到2440-3080克(最佳為2462-3048克)相當於含有28％Al2(SO4)3的硫酸鋁溶液中，冷卻至10℃，劇烈攪拌下(＞2500r/min)慢慢加入880-1400克(最佳為906-1360克)相當於含有11％Al2O3的鋁酸鈉溶液，在0～20℃(最佳為10～15℃)下反應30分鐘，然後在室溫至90℃內，煮解2小時，直到溶液變成透明為止，冷卻，過濾，濾液即為含Al2O37～8％的PASS產品。其中劇烈攪拌的目的在於促使反應物瞬間高度稀釋和分散，避免鋁濃度局部過剩，導致形成和出現固體膠粒，快速攪拌，可將膠粒分裂為高度分散而不附聚的透明微混濁的產物；加入穩定鋁酸鈉時，採用慢速注入法，可造成強鹼微滴與鋁液間有大量界面反應，進而促成PASS中含有更多活性組分。煮解溫度可以是常溫～90℃之間，最佳為50～60℃。高模數矽酸鈉中的SiO2/Na2O≈3.22。
本發明有如下突出特點(1)利用廢棄物為原料，可大大降低PASS的合成成本，有利於該新型絮凝劑的推廣應用。(2)對鋁廠廢棄物進行綜合利用，廢渣利用率高達85％以上，基本解決了廢渣堆放造成的汙染問題；廢酸、廢鹼的利用率幾乎達到100％，徹底消除了廢酸、廢鹼排放造成的汙染。(3)產品穩定，用量省，低溫性能好，使用後鋁殘留量低，且鹼度高，有助於防止流體管道的腐蝕。(4)原料易得，工藝簡單，投資省，見效快，有明顯的實用價值。
實施例一將1500克約含有14％NaOH的廢鹼濃縮至25％，置於高壓釜中，加入220克的廢渣，在260℃溫度下攪拌反應4小時，冷卻，過濾，稀釋至成為約含14％Al2O3的鋁酸鈉溶液。加入9克5.8％的葡萄酸鈉，攪拌至全部溶解，加熱至114℃後，加入2克甲基丙烯酸羥乙酯，攪拌至溶，再分別加入0.55克氨水、0.55克過硫酸銨，然後在該溫度下繼續攪拌反應30～40分鐘，乘熱過濾，得到完全透明的穩定化的鋁酸鈉溶液。
將210克約含有28％Al2(SO4)3硫酸鋁溶液置於三頸瓶中，加入28克高模數的矽酸鈉(4.6克工業矽酸鈉溶解在19ml水中)溶液，攪拌均勻，冷卻至10℃左右，在劇烈攪拌(＞2500r/min)下，慢慢加入86克含11％Al2O3的穩定鋁酸鈉溶液，在10℃下保持30分鐘，然後在2小時內慢慢升溫至55℃左右，並在該溫度下煮解120分鐘，直至反應物變成透明為止。冷卻，過濾後，產物呈無色微渾濁液體，其比重＝1.23，PH＝3.5，含Al2O37.25％，鹼度50％。
實施例二除甲基丙烯酸羥乙酯添加量為1克，氨水為0.5克，過硫酸銨為0.5克外，其餘操作同例一。結果產物性能與例一基本相同。
比較例一除用未經穩定化鋁酸鈉外，其餘合成步驟同例一，結果得不到滿意的產品。
比較例二除用SiO2/Na2O＝1的矽酸鈉外，其餘操作同例一。結果也得不到產品。
權利要求
1.一種用鋁廠廢棄物合成聚合鹼式矽硫酸鋁的方法，其特徵在於該法的技術方案包括(1)首先將1500-1800克約含有14％NaOH的廢鹼濃縮至25％左右，加入225克的廢渣，在200～400℃溫度下加熱2-8小時，製備鋁酸鈉溶液；(2)將鋁酸鈉溶液與廢硫酸作用製備硫酸鋁；(3)在1000克相當於含有14％Al2O3的上述鋁酸鈉溶液中，加入5克澄清劑攪拌溶解，再加入1克催化劑後，在105--115℃溫度下，與0.02～10％重量含量的表面活性劑反應，即生成穩定的鋁酸鈉溶液；(4)將360-920克高模數矽酸鈉溶液，加到2440-3080克硫酸鋁溶液中，冷卻至10℃，與880-1400克鋁酸鈉溶液，在0～20℃下反應30分鐘，然後在室溫至90℃內，煮解2小時，合成聚合鹼式矽硫酸鋁。
2.如權利要求1所述的用鋁廠廢棄物合成聚合鹼式矽硫酸鋁的方法，其特徵在於廢渣與廢鹼高溫灼熱的溫度為250～300℃。
3.如權利要求1所述的用鋁廠廢棄物合成聚合鹼式矽硫酸鋁的方法，其特徵在於鋁酸鈉穩定化所用的催化劑可以是自由基的引發劑，有機氧化還原反應引發劑，自由基先質和還原劑等。
4.如權利要求1所述的用鋁廠廢棄物合成聚合鹼式矽硫酸鋁的方法，其特徵在於鋁酸鈉穩定化所用的表面活性劑，可以是低聚物，也可以是單體，其用量為1～3％。
5.如權利要求1所述的用鋁廠廢棄物合成聚合鹼式矽硫酸鋁的方法，其特徵在於聚合鹼式矽硫酸鋁的合成溫度為10～20℃。
6.如權利要求1所述的用鋁廠廢棄物合成聚合鹼式矽硫酸鋁的方法，其特徵在於聚合鹼式矽硫酸鋁的煮解溫度為50～60℃。
全文摘要
本發明是以鋁廠的廢棄物為原料,即廢渣與廢鹼經高溫灼熱、加水煮解等工藝製成鋁酸鈉;該鋁酸鈉溶液與廢酸反應生成硫酸鋁;鋁酸鈉在催化劑作用下與表面活性劑反應進行穩定化;然後再與硫酸鋁,矽酸鈉反應合成合成聚合鹼式矽硫酸鋁。該複合物是一種新型的無機絮凝劑,具有穩定性高,低溫性能好,活性鋁含量多,用量省,能形成高密度的絮狀物,沉澱速度快,腐蝕性低等特點,是飲用水處理,造紙,蔗糖等行業理想的絮凝劑。
文檔編號C01F7/76GK1349930SQ00131818
公開日2002年5月22日 申請日期2000年10月19日 優先權日2000年10月19日
發明者陳福星, 蘭花水, 盧葛覃, 何燕芬, 林文焰, 陳彰明, 黃當睦 申請人:中國科學院福建物質結構研究所