水浸法生产明矾废物综合治理及利用的工艺探讨

2012-08-19胡扬五曾余瑶温州市工业科学研究院温州325000周艺影温州矾矿苍南325800

化工设计 2012年6期

胡扬五曾余瑶温州市工业科学研究院温州 325000周艺影温州矾矿苍南 325800

明矾石是温州地区的重要矿产资源之一。目前温州矾矿生产钾明矾以水浸法为主，即明矾石-立窑焙烧-泼水风化-矾砂-加温溶出-明矾原液-静置结晶-明矾［1］。钾明矾产能42 kt/a 左右，产生矾浆约34.4kt/a，而矾浆中含K2O 3.0%～3.5%，含Al2O348% ～52%［1］，如果这些资源不能有效利用会造成大量浪费且污染环境;另外，钾明矾生产的立窑焙烧工序会产生大量含SO2、SO3的矾烟，造成周围大气严重污染。因而，回收利用矾浆、解决矾烟的环境污染意义重大。

目前对矾浆的利用研究开展得较多，比如:上世纪有关单位就用矾浆做聚合氯化铝铁［2］、超早强水泥［3］、自应力水泥等［4］;某些企业也用矾浆做棕刚玉、硫酸铝等［1］。这些方法在一定程度上能解决矾浆堆积的困局，但产品附加值低，市场接受度有限，到目前为止还不能完全解决矾浆的出路问题。

现有对含硫矾烟进行脱硫处理的基本上是石灰洗涤法［5］或氢氧化钠溶液喷淋吸收。这两种方法都有明显的不足:石灰洗涤法吸收矾烟会产生大量的硫酸钙粘附堵塞喷淋塔和管道，取出的硫酸钙也难以处理;用氢氧化钠溶液喷淋吸收矾烟将产生大量稀硫酸钠溶液，要将其蒸发、浓缩、结晶，需耗大量热能，若不处理排放则会造成二次污染。

本项研究从提取矾浆中的钾和铝入手，同时考虑矾烟的节能无二次污染的处理方法，即选择采用氢氧化钾两级逆向浸取的方法使矾浆中的钾和铝充分浸出，再将矾烟引入喷淋塔，利用一级浸出液来喷淋吸收矾烟中的SO2、SO3。当浸出液吸收一定量的矾烟后，pH 值达到一定数值时将其过滤引出，通过pH 值精细调整，使Al (OH)3充分沉淀分离，可得到纯度较高的氢氧化铝;将余液过滤，用电渗析法将溶液钾浓度提高;作为液态钾肥直接服务于当地的柑橘、果树和茶叶、蔬菜等种植，既解决了矾浆的出路，又可获得实惠的钾肥和氢氧化铝材料，同时治理了矾烟，节能且无二次污染。

1 实验方法

1.1 浸出实验

分别用5 mol/L 和10 mol/L 浓度的氢氧化钾溶液对干燥矾浆进行碱浸，氢氧化钾用量为按矾浆化学成份完全反应的理论用量的2 倍加入。加入氢氧化钾后将温度升至80℃，保温搅拌30min，沉淀，取出上清液后用清水洗涤三次，将洗涤水与浸出上清液合为一体，计量并送化验检测。结果见表1。

表1 用氢氧化钾浸矾浆所得铝和钾的提取量

从实验结果可以看出，碱液的浓度越高浸出的效率也随之增加，但高浓度的碱液对运行成本不利。用5 mol/L 的氢氧化钾浓度能够使钾的浸出率达到85% 左右，铝的浸出率在75% 左右;用10mol/L 的氢氧化钾浓度能够使钾的浸出率达到90%左右，铝的浸出率在85%左右。所以提高氢氧化钾浓度对浸出效率有所提高。

1.2 氢氧化铝沉淀分离实验

取浸出液500ml 于烧杯中，用硫酸进行中和，将pH 值精调至使氢氧化铝充分沉淀，过滤分离后取上清液进行铝离子浓度分析，结果显示铝含量为0.61mg/L，实验表明，氢氧化铝的沉淀基本不受溶液中硫酸钾的影响。

1.3 含钾浸出液浓缩实验

由于在工程实际操作中对碱体系的洗涤和喷淋吸收矾烟等工艺都会产生大量的清洗水，使后工序的含钾浸出液浓度变得很低。本实验选取极端情况，即在碱浸后对其进行彻底清洗，该过程中加入了大量清洗水，使溶液钾离子浓度降至103mg/L，此时用电渗析器对其进行浓缩实验。10L 试验液循环运行40min，在浓缩液中将钾离子浓度提高至2476mg/L，脱除大量水份;浓缩液如果再进一步用四极四段分离浓缩，将能达到150g/L 的浓度，所以钾离子浓度高低可视钾肥使用和运输要求而定。

1.4 效果

从以上实验效果可知，应用氢氧化钾溶液能够有效地把矾浆中的钾、铝元素溶出;浸出液在吸收矾烟时只要控制好pH 值，不要过量吸收SO2、SO3，使氢氧化铝在吸收过程中不发生沉淀，就能起到与氢氧化钾溶液同样的作用;吸收液除渣后用硫酸调整pH，氢氧化铝也能沉淀完全。因此用氢氧化钾能达到综合治理浸出法生产钾明矾工艺的矾烟和矾浆污染问题。

2 工程实施方案

本工艺工程实施碱浸工序分为两段，每段分别由两套搪瓷釜组成，流程见图1。

本工艺中矾浆的碱I 浸采用2 只搪玻璃反应釜交替操作，由于矾浆沉淀速度较快，固液分离在反应釜内以停止搅拌静置方式让剩余矾浆沉淀于釜底;用全聚丙烯塑料自吸泵将反应釜上清液(浸出液)泵至喷淋塔配套储槽，供喷淋塔喷淋用;沉于釜底的剩余矾浆用衬塑胶螺杆污泥泵送至碱II 浸反应釜内。

图1 碱浸工艺流程图

碱II 浸采用2 只搪玻璃反应釜交替操作，在实际操作中由于氢氧化钾入水放热量大，温度上升快，若操作时机得当则加热蒸汽用量较少。碱II浸和洗涤操作均在反应釜内进行，采取搅拌洗涤-沉淀-抽上清液-再加水洗涤等多次循环操作方式，上清液(洗涤、浸出液)也用全聚丙烯塑料自吸泵泵至碱I 浸反应釜。经碱II 浸充分碱浸洗涤的矾浆已成为主要含SiO2的矿渣，开启碱II 浸反应釜底阀将其排放。

由于矾烟温度较高，腐蚀性强，喷淋塔采用花岗岩砌成，内置陶瓷环填料，喷头采用316L 不锈钢制造。

喷淋后，吸收液pH 值由pH 计实时监测，当达到一定pH 值时将其用过滤机泵出，过滤介质采用两层式，即发泡塑料滤芯外套纤维布袋方式滤除灰渣。

氢氧化铝沉淀工序由于颗粒较细，且呈胶体状，故分离采用专用精密过滤分离机过滤——滤饼反吹分离法收获氢氧化铝。

分离氢氧化铝后的含钾溶液可按区域农业对钾肥形态的需求进行供给，短距离可以直接采用初步浓缩后进行管道输送，稍远距离则通过二次电渗析浓缩达到较高含量的含钾溶液再进行罐车运送。