一種淨化重金屬汙泥微納米礦質材料及其製備方法與流程
2023-05-29 13:02:46 1
沸石、皂土、凹凸棒等汙泥處理劑本身是一種高活性過濾器，對汙染物產生過濾、稀釋等物理效應。汙泥處理劑具有物理性質、膠體性質、配位和螯合作用、氧化還原性質及類土壤的自淨化作用等。汙泥中的有機、無機汙染物不能直接進入土壤系統，由於汙泥中絮凝劑的潛育性固化作用，能嚴重破壞土壤結構，使土壤變成不透水，不透氣的廢耕土地；含重金屬的汙泥不能做肥料進入作物系統，可以使糧食、蔬菜受重金屬汙染，危害人群身體健康；含重金屬的汙泥不能做垃圾填埋，含水量高，使土壤潛育化，腐爛發嗅，大量溫室氣體二氧化碳和甲烷排放，破壞土壤、汙染地下水和大氣環境。汙泥處理劑吸附作用對重金屬等汙染物的遷移轉化所產生的化學、生物化學反應有顯著的淨化、代謝作用。汙泥處理劑的分散程度越高，土粒直徑越小，其總表面積就越大，比表面大的物質具有較高的表面能，表現出膠結、吸附及其他不同的物理及物理化學性質。例如，細顆粒具有特別大的膠結性和吸附能力。一般汙泥處理劑內部空間並沒有全部被填滿，它總是按一定方式排列，其間有許多孔隙，孔隙系統包括大量形狀及大小各異的粒間孔隙，它們之間被比孔隙本身直徑還小的通道互相聯結。吸附重金屬離子以後呈溶膠狀態，與其他金屬離子均形成難溶的絮凝態物質，同時也吸持了有毒的重金屬離子，緩解其對植物的毒害。無機膠體包括次生黏土礦物、鐵鋁水合氧化物、含水氧化矽兩性膠體。次生黏土礦物主要有蒙脫石、伊利石、高嶺石，均是粒徑小於5nm的層狀鋁矽酸鹽，對土壤中分子態、離子態汙染物有很強的吸附能力。其原因是：黏土礦物顆粒微細、具有很大的表面積，其中以蒙脫石類表面積最大(600～800m2/g)，它不僅有外表面，而且有巨大的內表面；伊利石次之(100～200m2/g)，高嶺石最小(7～30m2/g)；巨大的表面積伴隨產生巨大的表面能，因此能夠吸附汙泥中的氣、液態汙染物。
背景技術：
黏土礦物帶負電荷，陽離子交換量高，對於汙泥中離子態汙染物有較強的交換固定能力；蒙脫石和高嶺石的陽離子交換容量分別為80～120、3～15mequiv/100g。據研究，蒙脫石類永久負電荷佔總負電荷量的95%，伊利石佔60%，高嶺石佔25%。高嶺石吸附的金屬陽離子位於晶格表面離子交換點上，易被解吸；而蒙脫石、伊利石吸附的鹽基離子部分位於晶格內部，不易解吸。陽離子交換吸附是指膠體對離子態物質的吸附和保持作用，實際是膠體分散系統中擴散層的陽離子與汙泥溶液中的陽離子相互交換達到平衡的過程。它有以下三個特點，陽離子吸附過程是一種可逆反應的動態平衡。進入汙泥處理劑的金屬離子濃度愈高、價態愈高，則愈易被膠體吸附。陽離子交換量是等量進行的。各種陽離子被膠體物質吸附的親和力大小各不相同。對同價離子，離子半徑愈小，愈易被吸附，膠體吸附金屬離子的能力還常常受到汙泥處理劑配比條件的影響。不同膠體物質所能交換的陽離子量不同。決定土壤重金屬吸附量的因素首先是汙泥處理劑交換量，不同黏土礦物對金屬離子的吸附親合力順序是不一樣的。例如：蒙脫石對二價金屬離子的吸附順序為：ca2+＞pb2+＞cu2+＞mg2+>cd2+＞zn2+；高嶺石為：pb2+＞ca2+＞cu2+＞mg2+＞zn2+＞cd2+；伊利石為：pb2+＞ca2+＞zn2+＞cu2+＞cd2+。汙泥處理劑對重金屬離子等的吸附作用和螯合作用可同時發生。當重金屬離子濃度高時以交換吸附為主，低濃度時以螯合作用為主。汙泥處理劑結合金屬離子能力的順序為：pb＞cu＞ni＞co＞zn＞mn＞mg＞ba＞ca＞hg＞cd。所以有機膠體對金屬離子的吸附總貢獻小於無機膠體，但土壤有機膠體對汙染物，特別是有機汙染物的遷移轉化及生物效應有重要的影響。汙泥處理劑對重金屬及農藥的吸附，對於控制它們在土壤植物系統中的遷移起著重要作用。如土壤中重金屬元素的活性在很大程度上取決於土壤的吸附作用。土壤中的黏土礦物和腐殖質對重金屬有很強的吸附能力，能降低重金屬的活性。土壤的上述性質對汙染物的遷移轉化有很大的影響。如土壤膠體能吸附各種汙染物並降低其活性，微生物對有機汙染物有特殊的降解作用，使得土壤具有優越的自身更新能力，而無須藉助外力。土壤的這種自身更新能力，稱為土壤的自淨作用。汙染物進入土壤後，其自淨過程大致如下：汙染物在土壤內經擴散、稀釋、揮發等物理過程降低其濃度；經生物和化學降解為無毒或低毒物質，或通過化學沉澱、配合或螯合作用、氧化還原作用轉化為不溶性化合物，或是被土壤膠體牢固吸附，難以為植物吸收，而暫時退出生物小循環，脫離食物鏈或被排至土體之外的大氣或水體中。蒙脫石和高嶺石等強於土壤的自淨能力，蒙脫石和高嶺石淨化能力與汙泥的物質組成和其他特性及汙染物的種類、性質有關。不同礦質材料的自淨能力是不同的，同一礦質材料對不同汙染物的淨化能力也是有差異的。總的來說，礦質汙泥淨化材料的自淨速度比較快，汙染物進入礦質淨化材料後較難解析出來。
技術實現要素：
一種淨化汙泥微納米非金屬系列礦質材料，其特徵在於該料中含有一定量的皂土、凹凸棒、沸石等微納米非金屬礦質材料，上述礦質材料通過微納米工藝加工技術，形成共結晶複合體或混合物的汙泥淨化材料。微納米非金屬汙泥礦質淨化材料，其特徵在於汙泥中礦質材料添加量佔汙泥總重量的較佳比例為35%～55%。較佳的汙泥含水量要控制在70%~80%。較佳的非金屬礦質材料添加劑，微納米尺度控制在200~2000納米，加工工藝可選用氣流粉碎機和相關精準粉碎設備等工藝加工技術。較佳的微納米非金屬礦質材料品種皂土是生物汙泥的超濾劑，特別是對印染廢水、沼氣廢水、食品廠廢水、造紙廢水、屠宰廠廢水生物汙泥處理有很好的效果，有機物汙泥處理的物料配製皂土含量要＞60%，其他物料含量為40%以下，參考配方比例為：皂土：凹凸棒：沸石=6.0:3.0:1.0。較佳的微納米非金屬礦質材料凹凸棒，是一種消除汙泥中的重金屬汙染，淨化富營養化汙泥氨態氮、有機磷和有毒有害細菌類的主要材料，凹凸棒土其巨大的內外表面積、細小的棒狀、針狀和纖維狀多孔結構是其物理吸附的重要指標，富營養化汙泥處理的物料配製凹凸棒含量要＞60%以上，其他物料含量為40%以下，參考配方比例為：凹凸棒：皂土：沸石=6.0:2.0:2.0。較佳的微納米非金屬材料沸石，是火山所噴出的沉積巖，巖中的有機物被液化或汽化而產生微細的孔洞，這些孔徑的的大小約在1nm以下，具備對有機分子和陽離子的吸附功能，能消除汙泥中的汞鎘鉛砷等有毒有害重金屬離子，沸石對氨（nh4+）具有較高的吸附和交換力，參考配方比例為：沸石：皂土：凹凸棒=4.0:3.0:3.0.微納米礦質汙泥淨化材料，其特徵在於該材料要經過高溫加熱處理，處理控制溫度在130~180度，汙泥水分含量高或重金屬含量高，汙泥淨化材料控制溫度在150~180度，汙泥水分含量低或重金屬含量低，汙泥淨化材料控制溫度在130~150度，高溫加熱處理後的淨化材料具有小尺寸效應、大表面積效應和隧道效應，能促進汙泥中富營養化離子和重金屬離子的晶格吸附、螯合、絮凝和沉澱，使進入晶格中的重金屬離子達到永久性封存的目的。汙泥淨化材料皂土、凹凸棒、沸石等的製法，是選用了生產一般非金屬礦質材料的選礦工藝流程，粉碎工藝流程，微納米級超細微嚰流程，定量輸入添加劑的電腦控制設備，物料混合攪拌設備。該工藝中增設添加劑粉碎機、貯料槽、電腦計量泵、攪拌機、物料傳送機、稱量機、包裝機、恆溫乾燥儲備庫等配套的生產線。皂土、凹凸棒、沸石等系列汙泥淨化材料以混合粉劑的形式加入到汙泥物料處理的工藝流程中，皂土、凹凸棒、沸石等系列汙泥淨化材料處理汙泥的配製比例可根據汙泥含水量或重金屬含量靈活掌握，汙泥與淨化材料參考配方比例為：重金屬重度汙染汙泥：淨化材料：汙泥=50:50；重金屬中度汙染汙泥：淨化材料：汙泥=40:60；重金屬輕度汙染汙泥：淨化材料：汙泥=30:70。系列汙泥淨化材料所處理的汙泥，其特徵在於可以打破汙泥中絮凝劑的潛育性固化作用，消除絮凝劑破壞土壤結構的危害，處理後的汙泥水分含量可降低到20%左右，有機質含量可降低到5%左右，重金屬含量可降低30%~70%，氨等陽離子交換量可減少30%以上，處理後的汙泥可以用於土地修復，沙漠改造，草地復墾，城市綠化和直接做成有機肥料使用。
附表說明表1重金屬汙泥微納米礦質材料處理前後的淨化效果
表1的測量結果表明，本專利提供的微納米非金屬礦質汙泥淨化材料，對所有重金屬都有淨化吸附固定作用，除了汞、鎘重金屬汙泥中含量近於痕量，淨化數量較少外，其餘汙泥中含量高的重金屬淨化率都大於75%以上。汙泥中氨等陽離子交換量淨化率87%以上。
具體實施方式
微納米礦質汙泥淨化材料要經過高溫加熱處理，處理控制溫度在130~180度。汙泥水分含量高或重金屬含量高，汙泥淨化材料控制溫度在150~180度。汙泥水分含量低或重金屬含量低，汙泥淨化材料控制溫度在130~150度。高溫加熱處理後的淨化材料具有小尺寸效應、大表面積效應和隧道效應，能促進汙泥中富營養化離子和重金屬離子的晶格吸附、螯合、絮凝和沉澱，使進入晶格中的重金屬離子達到永久性封存的目的。汙泥淨化材料皂土、凹凸棒、沸石等的製法，是選用了生產一般非金屬礦質材料的選礦工藝流程，粉碎工藝流程，微納米級超細微嚰流程，定量輸入添加劑的電腦控制設備，物料混合攪拌設備。該工藝中增設添加劑粉碎機、貯料槽、電腦計量泵、攪拌機、物料傳送機、稱量機、包裝機、恆溫乾燥儲備庫等配套的生產線。皂土、凹凸棒、沸石等系列汙泥淨化材料以混合粉劑的形式加入到汙泥物料處理的工藝流程中，汙泥淨化材料與被處理汙泥的配製比例可根據汙泥含水量或重金屬含量靈活掌握，汙泥與淨化材料參考配方比例為：重金屬重度汙染汙泥，淨化材料：汙泥=50:50；重金屬中度汙染汙泥，淨化材料：汙泥=40:60；重金屬輕度汙染汙泥，淨化材料：汙泥=30:70。系列汙泥淨化材料所處理的汙泥，能打破汙泥中絮凝劑的潛育性固化作用，消除絮凝劑破壞土壤結構的危害，處理後的汙泥水分含量可降低到20%左右，有機質含量可降低到5%左右，汙泥中重金屬含量可降低50%以上，處理後的汙泥可以用於土壤修復，草地復墾，城市綠化，也可以做成有機肥料使用。