氧化焙燒鉻渣的浸出提鉻工藝研究

師亞茹，蘇 毅，向 鵬，張團慧

(昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明650500)

鉻渣是一種非常危險的固體廢棄物，由于它含有水溶性鉻酸鈉、酸溶性鉻酸鈣等有毒性六價鉻化合物，因而會對生態(tài)環(huán)境造成巨大污染[1-3]。含六價鉻的化合物具有強氧化性，與人體接觸后會對人體皮膚和消化道產(chǎn)生強烈刺激性，引起皮炎等疾病，還可能導(dǎo)致皮膚過敏、肺癌等疾病，世界衛(wèi)生組織已將六價鉻化合物認定為致癌物質(zhì)[4-5]。我國的鉻鹽及相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2000年鉻鹽產(chǎn)量就躍居全球第一，2007年至今的年產(chǎn)量多在30萬～40萬t，大約占全球產(chǎn)量的40%[6-15]。隨著鉻鹽產(chǎn)業(yè)的壯大，鉻鹽生產(chǎn)及應(yīng)用過程中的鉻渣排放量也迅速增大。如何處理鉻渣，怎樣做到資源的循環(huán)利用引起了越來越多的企業(yè)和學(xué)者的重視。

作者重點研究了電鍍鉻渣氧化焙燒后鉻渣的浸出提鉻工藝，以期達到解毒鉻渣和資源化利用鉻的目的。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗所用原料為云南某地電鍍鉻渣，采用GB/T 15555.8—1995固體廢物總鉻的測定硫酸亞鐵銨滴定法分析鉻渣中w(鉻)＝6.07%。根據(jù)全元素分析結(jié)果可知鉻渣中主要含有O、Ca、Zn、Fe、Cr、Si、Cu、S、Ni、Al和P等元素。

1.2 實驗方法

將25 g鉻渣與10 g碳酸鈉和15 g硝酸鈉研磨混合，裝入陶瓷坩堝中，在高溫箱式爐中高溫煅燒，然后將冷卻的焙燒渣碾磨、混合均勻，用水浸出，經(jīng)過濾、洗滌并干燥至質(zhì)量恒定，稱量并研磨，分析其鉻含量。

2 結(jié)果與討論

在高溫、堿性條件下，鉻渣經(jīng)氧化焙燒，可使難溶于水的Cr2O3氧化為溶于水的Cr O2－4，經(jīng)水浸出進入水相，可制備鉻產(chǎn)品，達到解毒鉻渣和資源化利用鉻的目的。

2.1 浸出液中ρ(碳酸鈉)對鉻浸出率的影響

碳酸鈉浸出液濃度對鉻浸出率影響的實驗研究結(jié)果見圖1。反應(yīng)條件:V(浸出液)＝100 m L，浸出時間為2 h，浸出溫度80℃，攪拌速度為300 r/min，用水洗滌三次(30 m L/次)，干燥濾渣至質(zhì)量恒定。

由圖1可知，隨著浸出液中ρ(碳酸鈉)的增加，鉻浸出率呈現(xiàn)先減后增再減的趨勢。當(dāng)浸出液中不含碳酸鈉時，鉻浸出率達到最高，為92.17%。又由于實驗原料在焙燒時已加入一定量的碳酸鈉，浸出液中再加入碳酸鈉反而不利于鉻浸出。所以，根據(jù)研究結(jié)果直接用水做浸出液。

圖1 浸出液中ρ(碳酸鈉)對鉻浸出率的影響

2.2 液固比對鉻浸出率的影響

液固比對鉻浸出率影響的實驗研究結(jié)果見圖2，反應(yīng)條件:用水浸出，浸出時間為2 h，浸出溫度80℃，攪拌速度為300 r/min，用水洗滌三次(30 m L/次)，干燥濾渣至質(zhì)量恒定。

圖2 液固比對鉻浸出率的影響

由圖2可知，隨著液固比的增加，鉻的浸出率呈現(xiàn)出先增大后趨于平穩(wěn)的趨勢。當(dāng)液固比從3∶1增加到4∶1時，鉻浸出率由85.21%上升到90.62%，上升了5.41%。當(dāng)液固比繼續(xù)增加到6∶1時，鉻浸出率達到最大值91.24%，之后再增大液固比，鉻浸出率反而略有下降，但變化不大，趨于穩(wěn)定。這主要是因為隨著液固比的增加，浸出液的量逐漸增加，這既可提高鉻酸鹽在浸出液中的溶解度，也可增加固相中鉻酸鹽的溶出驅(qū)動力，促進浸出過程的順利進行，從而提高浸出率;然而當(dāng)液固比達到一定比例后，液固間的溶解過程達到平衡，此時再改變液固相比，對浸出過程就影響不大了。根據(jù)研究結(jié)果，選取液固比6∶1為優(yōu)化工藝條件。

2.3 浸出溫度對鉻浸出率的影響

浸出溫度對鉻浸出率影響的實驗研究結(jié)果見圖3。反應(yīng)條件:用水浸出，V(浸出液)＝150 m L，浸出時間為2 h，攪拌速度為300 r/min，用水洗滌三次(30 m L/次)，干燥濾渣至質(zhì)量恒定。

圖3 浸出溫度對鉻浸出率的影響

由圖3可知，隨著浸出溫度的升高，鉻渣浸出率呈現(xiàn)出先大幅增加后較大幅度的波動趨勢。當(dāng)浸出溫度從40℃升高到60℃時，鉻浸出率由75.09%提高到89.29%，浸出率有較大幅度的升高，當(dāng)溫度繼續(xù)升高到80℃時，鉻浸出率達到90.27%的最大值。從總的趨勢看，提高溫度，可提高鉻酸鹽的溶解度和化學(xué)反應(yīng)速度，促進反應(yīng)物和生成物在液固相間的傳質(zhì)過程，有利于浸出過程的順利進行，但溫度過高，浸出液揮發(fā)加劇，導(dǎo)致浸出液減少，不利于鉻酸鹽的溶解和鉻的浸出。綜合考慮實驗研究結(jié)果，選取浸出溫度80℃為優(yōu)化工藝條件。

2.4 浸出時間對鉻浸出率的影響

浸出時間對鉻浸出率影響的實驗研究結(jié)果見圖4。反應(yīng)條件:用水浸出，V(浸出液)＝150 m L，液固比為6∶1 L/g，浸出溫度為80℃，攪拌速度為300 r/min，用水洗滌三次(30 m L/次)，干燥濾渣至質(zhì)量恒定。

由圖4可知，隨著浸出時間的增加，鉻浸出率呈現(xiàn)先平緩增加再減小的變化趨勢。當(dāng)浸出時間從0.5 h增加到2.0 h時，鉻浸出率由88.00%增加到89.75%，之后隨著浸出時間增加到2.5 h和3.0 h時，鉻浸出率分別下降到88.49%和85.21%。由實驗研究結(jié)果可知，在浸出時間為0.5～2.5 h，隨著浸出時間的變化，鉻浸出率的變化幅度都不大，維持在約89%。因此，選取浸出時間2 h為優(yōu)化工藝條件。

圖4 浸出時間對鉻浸出率的影響

2.5 攪拌速度對鉻浸出率的影響

攪拌器轉(zhuǎn)速對鉻浸出率影響的實驗研究結(jié)果見圖5。反應(yīng)條件:用蒸餾水浸出，V(浸出液)＝150 m L，浸出時間為2 h，浸出溫度為80℃，浸出時間為2 h，用水洗滌三次(30 m L/次)，干燥濾渣至質(zhì)量恒定。

圖5 攪拌速度對鉻渣浸出率的影響

由圖5可知，隨著攪拌速度不斷提高，鉻浸出率總的呈現(xiàn)出先增大后略有減小的變化趨勢。當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速從150 r/min增大到300 r/min時，鉻浸出率由84.55%上升到93.94%，浸出率有較大幅度的增加，但當(dāng)攪拌速度由300 r/min增加到350 r/min時，鉻浸出率又呈現(xiàn)減小的趨勢，由93.94%降至91.98%，但下降幅度不大，之后繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速至400 r/min時，鉻浸出率趨于穩(wěn)定。鉻渣浸出是一個固液多相反應(yīng)和傳遞過程，加強攪拌能減小擴散層的厚度，加快水與物料顆粒間反應(yīng)物和生成物的傳質(zhì)速度，提高溶解速率和浸出轉(zhuǎn)化率。根據(jù)實驗研究結(jié)果，選取攪拌速度300 r/min為優(yōu)化工藝條件。

3 結(jié) 論

(1)采用硝酸鈉、碳酸鈉和電鍍鉻渣混合均勻后高溫煅燒，用水浸出渣中鉻的方法是可行的，研究表明鉻的浸出率可達93.94%;

(2)浸出階段的最佳工藝條件為用水浸出，液固比為6∶1 L/g，浸出時間為2 h，浸出溫度為80℃，浸出時間為2h，轉(zhuǎn)速為300 r/min。

[1] 裴廷權(quán)，王里奧，鐘山，等.典型鉻渣簡易掩埋場鉻渣及土壤鉻污染特征和處置分析[J].環(huán)境工程學(xué)報，2008，2(7):994-999.

[2] 宋菁.典型鉻渣污染場地調(diào)查與修復(fù)技術(shù)篩選[D].青島:青島理工大學(xué)，2010.

[3] TUZEN M，SOYLAK M.Chromium speciation in environmental samples by solid p Hase extraction on Chromosorb 108[J].Journal of hazardous materials，2006，129(1):266-273.

[4] 梁愛琴，匡少平.鉻渣治理與綜合利用[J].中國資源綜合利用，2003(1):15-18.

[5] GRAHAM M C，F(xiàn)ARMER J G，ANDERSON P，et al.Calcium polysulfide remediation of hexavalent chromium contamination from chromite ore processing residue[J].Science of the Total Environment，2006，364(1):32-44.

[6] 王興潤，李麗，劉雪，等.鉻渣治理技術(shù)的應(yīng)用進展及特點分析[J].中國給水排水，2009，25(4):10-14.

[7] 江玲龍，李瑞雯，毛月強，等.鉻渣處理技術(shù)與綜合利用現(xiàn)狀研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013，36(6):480-483.

[8] 倫莉妹.Microbacterium sp.GM-1礦化特性及其生物礦化膠結(jié)固化鉻渣的實驗研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2015.

[9] 肖博.高溫自蔓延技術(shù)處理鉻渣研究[D].綿陽:西南科技大學(xué)，2016.

[10]劉宏.鉻渣酸浸濕法解毒工程應(yīng)用研究[D].長沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[11]李依韓.生物質(zhì)熱解還原鉻渣的機理研究[D].青島:青島理工大學(xué)，2013.

[12]劉帥霞.兩段式還原工藝解毒鉻渣技術(shù)研究[D].上海:東華大學(xué)，2013.

[13]徐文斌.鉻渣解毒與氧化鉻清洗制備工藝研究[D].長沙:中南大學(xué)，2011.

[14]郭軍.鉻渣解毒及其固化的研究[D].沈陽:東北大學(xué)，2008.

[15]馬澤民.Achromobacter sp.CH-1菌解毒鉻渣的研究[D].長沙:中南大學(xué)，2009.