Получение биологического керамзита из вольфрамовых хвостов

Фэн Сюцзюань из Хуачжунского университета науки и технологий провела экспериментальное исследование по получению пористых биологических фильтрующих материалов из керамзита методом обжига, в качестве основного сырья использовав хвосты вольфрамового рудника Дасяо Лунся в провинции Цзянси, а в качестве вспомогательных материалов — печной шлак, летучую золу и глину. Основной химический состав использованных хвостов приведён в таблице 8‑1. К другим вспомогательным материалам относились концентрированная соляная кислота, печный шлак, летучая зола, глина, порообразователи (опилки или пенопласт), связующее вещество (модифицированный крахмал), белое покрытие на основе акриловой смолы, растворитель ксилол и т. д.

Таблица 8‑1 Основной химический состав вольфрамовых хвостов (wt%)

Рисунок 8‑1. Блок-схема технологического процесса получения биологического керамзита

Технологическая схема получения биологического керамзита из вольфрамовых хвостов представлена на рисунке 8‑1. Сначала хвосты подвергали модификации раствором соляной кислоты 20% с целью образования большого количества пор. Затем модифицированные хвосты равномерно смешивали и перемешивали с печным шлаком, летучей золой и глиной в определённых пропорциях, добавляя небольшое количество порообразователя и вяжущего. Из полученной смеси с помощью гранулятора были сформированы сферические сырые гранулы керамзита. Сырые гранулы помещали в электрическую сушильную печь с постоянной температурой при 120 °C на 1 ч, после чего переносили в муфельную печь. Температуру постепенно повышали до 500 °C в течение 1 ч, выдерживали при этой температуре 10 мин, а затем повышали до 800–1200 °C для обжига в течение 30 мин. После обжига продукт извлекли и оставили остывать естественным образом до комнатной температуры. Обжиженный продукт поместили в шаровую мельницу и подвергли самоизмельчению. Затем на поверхность с помощью распылителя нанесли белое покрытие на основе акриловой смолы, разбавленной ксилолом. После высыхания при комнатной температуре был получен конечный биологический керамзитовый продукт. В процессе нанесения распылением давление воздушного компрессора поддерживалось на уровне 0,2–0,5 МПа, угол распыления распылителя составлял 30°–50°, расстояние от сопла до керамзита составляло 15–50 см, время высыхания при комнатной температуре — 0,5–1,5 ч, а толщина сухой пленки покрытия — 20–30 мкм.

Результаты экспериментов показали, что при объемном соотношении вольфрамовых отходов, печного шлака, летучей золы и глины 4 : 1,5 : 1,5 : 1, а температура обжига составляла 1100 °C, полученный биологический керамзит имел плотность частиц 1,61 г/см³, насыпную плотность 1,10 г/см³, удельной поверхностью 9,7 м²/г, растворимостью в кислоте 0,17%, растворимостью в щелочи 0,33% и прочностью на сжатие в виде цилиндра 8,1 МПа. При использовании этого биологического керамзита для очистки реальных сточных вод с химической потребностью в кислороде (ХПК₍Cr₎) 817 мг/л наблюдалось быстрое образование биопленки, высокая степень прикрепления микроорганизмов и простота обратной промывки. Степень удаления ХПК₍Cr₎ превысила 93% в течение 20 дней.

Получение биологического керамзита из железных отходов

Чжан Сюэдун и др. из Таншанского колледжа провели исследование по получению биологических фильтрующих материалов из керамзита с использованием железных отходов в качестве основного сырья с добавлением таких вспомогательных материалов, как печной шлак, летучая зола, известняк и добавки.

8.2.1 Сырье

• Железные отвалы: Добывается на железной руднике в Цяньане (Таншань). Является основным сырьем для производства керамзита, придавая ему прочность и выступая в качестве вяжущего вещества.
• Печный шлак: Получается из отходов сжигания угля в котлах, которые обеспечивают часть теплотворной способности, а также выступают в качестве порообразователя для керамзита.
• Летучая зола: Поставляется с электростанции Таншань, что позволяет повысить эффективность гранулирования.
• Известняк: Выполняет функцию порообразователя, а также повышает прочность керамзита в процессе обжига.
• Примесь: В основном состоит из органических веществ, выполняя функции как порообразователя, так и связующего вещества.

Химический состав основных видов сырья приведен в таблице 8‑2.

Таблица 8‑2 Основной химический состав сырья для производства керамзита (wt%)

8.2.2 Процесс подготовки

Сырье было точно взвешено в соответствии с заданным соотношением и помещено в смеситель для цементного раствора. Была добавлена водопроводная вода 27%, после чего смесь была тщательно перемешана. Путем ручной грануляции были получены сырые гранулы диаметром 3–5 мм. Гранулы сушили при температуре 105±5 °C в течение 3 ч для удаления свободной воды, после чего помещали в печь, устойчивую к высоким температурам. Температуру повышали в соответствии с запрограммированным графиком нагрева до 1100 °C и проводили прокалку в течение 30 мин. После прокалки керамзитовые изделия охлаждали естественным образом до комнатной температуры, получая биологический керамзит из железных отходов.

В ходе экспериментов по очистке сточных вод было определено оптимальное соотношение исходных материалов: железные хвосты — 86%, печной шлак — 7%, летучая зола — 5%, известняк — 1% и добавка — 1%. При температуре обжига 1100 °C полученный керамзит имел шероховатую поверхность, размер частиц 3–5 мм, водопоглощение 14,01%, пористость 31,07%, насыпная плотность 1,12 кг/м³, а кажущаяся плотность — 1,92 кг/м³. Степень удаления мутности из бытовых сточных вод достигала 64,02% в течение 30 ч, а степень удаления ХПК₍Cr₎ составляла 79,48%, что свидетельствует о значительной эффективности.

Ван Дэминь и др. из Уханьского университета науки и технологий получили пористый керамзит с долей добавки хвостов до 77%, используя в качестве основного сырья железорудные хвосты с низким содержанием кремния. Были изучены очистительные характеристики полученного керамзита при очистке модельных бытовых сточных вод с использованием лабораторного биологического аэрированного фильтра (БАФ). Результаты показали, что керамзит имеет шероховатую поверхность и обильные внутренние поры, при этом его кажущаяся плотность, кажущаяся пористость и средний диаметр пор составляют 1,33 г/см³, 54% и 19,80 мкм соответственно. Концентрации тяжелых металлов в фильтрате, полученном в ходе испытания на выщелачивание тяжелых металлов, соответствовали национальным стандартам качества поверхностных вод. БИФ с использованием данного керамзита в качестве фильтрующего материала продемонстрировал высокую эффективность при очистке моделируемых сточных вод: коэффициенты удаления ХПК₍Cr₎, NH₄⁺‑N и TN достигли 84,26%, 84,01% и 25,87% соответственно. Микроорганизмы, прикреплённые к керамзиту в фильтрующей колонне, отличались видовым разнообразием, а общий фосфор в биомассе на единицу массы керамзита на входе достигал 371,63 нмоль/г, при этом 90,79% было распределено на поверхности, а 9,21% — внутри керамзита.

8.3 Получение биологического керамзита из свинцово-цинковых хвостов

Ван Шуньцай и др. из Университета Хохай использовали хвосты флотации свинца и цинка в качестве сырья, а также силикат натрия и лигнин в качестве добавок для получения керамзита, предназначенного для очистки воды, методом высокотемпературного обжига, и провели экспериментальные исследования его адсорбционных характеристик при очистке сточных вод обогатительных фабрик.

В эксперименте использовались флотационные хвосты, полученные на предприятии «Нанкин Инмао» (Nanjing Yinmao Lead‑Zinc Mining Co., Ltd.). Основными минералами в хвостах были силикаты, а также некоторые оксиды Fe, Mn и Al; потеря при прокаливании составила 18,93%. Процесс получения керамзита был следующим: в стакан насыпали 30 г цельных хвостов, добавляли определенный объем дистиллированной воды и однородно перемешивали. Из полученной смеси с помощью дискового гранулятора формировали небольшие шарики диаметром 5–10 мм. Гранулы сушили в электрической сушильной печи с обдувом при температуре 105 °C в течение 2 ч, после чего помещали в высокотемпературную коробчатую электрическую печь и обжигали при заданной температуре в течение 2 ч. Затем печь выключили, и керамзиту дали остыть внутри печи в течение 12 ч, после чего его извлекли.

Результаты экспериментов показали, что керамзит, полученный из цельных хвостов, прокаленных при температуре 800 °C, демонстрировал хорошие адсорбционные характеристики в отношении ХПК₍Cr₎ в сточных водах обогатительных работ. Оптимальное время адсорбции составило 30 мин, оптимальная температура — комнатная, оптимальная дозировка — 2 г/100 мл, а оптимальный pH — около 8. Степень удаления ХПК₍Cr₎ и адсорбционная способность достигли 87,11 TP3T и 17,85 мг/г соответственно. Для уменьшения отслоения хвостов и повышения прочности керамзита также были проведены эксперименты с добавлением связующих веществ. В результате испытаний влияния различных вяжущих на адсорбционные характеристики в качестве вяжущих были выбраны силикат натрия и лигнин с дозой добавления силиката натрия (2,5 г) + лигнина (2,5 г) на 30 г хвостов. Керамозит для очистки воды, полученный в результате обжига при 800 °C в течение 2 ч, обладал достаточной прочностью, чтобы противостоять эрозии под действием водного потока, а его адсорбционная способность достигла 22,84 мг/г.