赤泥在環境治理中的應用研究進展

張樂觀,馮興華,肖 波

(1.河南城建學院 環境與市政工程系,河南 平頂山 467001;2.華中科技大學 環境科學與工程學院,湖北 武漢 430074)

赤泥在環境治理中的應用研究進展

張樂觀1,2,馮興華1,肖 波2

(1.河南城建學院 環境與市政工程系,河南 平頂山 467001;2.華中科技大學 環境科學與工程學院,湖北 武漢 430074)

論述了赤泥的基本特性,介紹了赤泥作為吸附劑或作為原料制備的絮凝劑在水處理中的應用研究情況,以及赤泥在廢氣治理和土壤修復中的研究應用現狀,并對其處理機理進行了分析,對今后赤泥的應用研究方向進行了展望。

赤泥;水處理;吸附劑;絮凝劑;廢氣治理;土壤修復

根據國際鋁業協會統計,2008年世界氧化鋁產量為 60 496 k t[1],而我國 2008年氧化鋁產量就有22 784 k t,已超過世界總產量的 1/3。赤泥是氧化鋁生產過程中鋁土礦經強堿浸出時形成的不溶性殘渣。每生產 1 t氧化鋁就有 1.0～1.8 t(干重)赤泥產出,隨著鋁工業的發展和鋁礦石品位的降低,赤泥的產量越來越大。目前,世界各國大多數氧化鋁廠對赤泥的處置方法是堆存或傾入大海,其處置費用高達氧化鋁生產成本的 5%。另外,赤泥中剩余的堿向地下滲透,極易造成地下水污染。在土地資源日趨緊張、環境保護日趨重要的今天,赤泥的綜合利用已成為人們關注的焦點。

本文綜述了赤泥作為吸附劑和絮凝劑在水處理、廢氣治理以及土壤修復中的應用進展,并對其處理機理進行了分析。

1 赤泥的基本特性

根據氧化鋁生產工藝的不同,赤泥分為燒結法赤泥和拜耳法赤泥。國內不同地區燒結法和拜耳法赤泥的主要化學組成見表 1。

表1 國內不同地區燒結法和拜耳法赤泥的主要化學組成w,%

由表 1可見:燒結法赤泥中鈣和硅含量較高,鐵和鋁含量較低;拜耳法赤泥中鋁和鐵含量明顯高于燒結法赤泥。燒結法赤泥中主要含有β-硅酸二鈣、霞石、方解石、α型水化氧化鋁和鋁酸三鈣等,其成分以β-硅酸二鈣為主,其次是氧化鈣和二氧化硅。拜耳法赤泥中主要含有鈣霞石、水化石榴石、含水鋁硅酸鈉、針鐵礦、赤鐵礦、一水硬鋁石和方解石等。目前,國內外對赤泥的綜合利用主要是用于生產水泥建材[2,3]、陶瓷等[4～7],對鐵和鋁含量較高的拜耳法赤泥主要是回收其中的有價金屬[8～10]。

2 赤泥在水處理中的應用

2.1 赤泥用作吸附劑

赤泥作為一種廉價的吸附劑可用于磷酸鹽的吸附[11]。Sh iao等[12]首次報道了用鹽酸活化的赤泥去除水中的磷酸鹽,PO3-4去除率達 72%,其效果與當時最好的脫磷劑相當。Huang等[13]分別采用硝酸和鹽酸活化赤泥,并在 700℃對兩種酸活化的赤泥進行熱處理,發現用酸活化和酸熱活化處理的赤泥的比表面積和孔體積增加,脫磷率顯著提高。L i等[14]將赤泥采用鹽酸活化、焙燒活化、酸熱活化等方法處理后作為除磷吸附劑對高濃度含磷工業廢水進行處理,均取得很好的脫磷效果。Zhao等[15]將赤泥用于吸附去除淀粉廢水中的高濃度磷酸鹽,效果良好。

?engelog lu等[16]研究了用赤泥和鹽酸活化赤泥去除水中的氟化物的效果,發現鹽酸活化后的赤泥去除 F-的效果優于原赤泥。在體系 pH為 5.5時,F-去除率最高,pH超過 5.5后 F-去除率明顯下降,主要是因為 OH-阻礙了赤泥對 F-的吸附。?engelog lu等[17]還發現赤泥和鹽酸活化赤泥均可有效去除水中的 NO3-,其吸附容量分別為1.86mm o l/g和 5.86 mm o l/g,吸附過程符合Freund lich等溫線和 L angm uir等溫線。赤泥去除NO3-的機理可能是 NO3-和赤泥發生了表面化學反應。

Zoubou lis等[18]采用赤泥去除水中的 N i2+,發現赤泥在去除 N i2+的同時可作為堿度調節劑。文小年等[19]發現赤泥對水中 Pb2+有很好的吸附作用,赤泥加入量為 2 g/L時,2 h后 Pb2+去除率可達99.6%。韓毅等[20]以氯化鐵為改性劑制得改性赤泥,并用其吸附含鉻廢水中的重鉻酸根離子。當廢水中 C r6+質量濃度為 80m g/L時,改性赤泥加入量為 10 g/L,2 h達到吸附平衡,重鉻酸根離子去除率達 96.2%。

目前赤泥作為吸附劑用于處理重金屬主要采用粉末狀。粉末狀赤泥比表面積較大,吸附性能較佳,但粉末狀赤泥活化過程中所產生的廢水難以處理,且粉末狀赤泥難以再生,不利于工業化應用。Zhu等[21]提出了一種新的造粒赤泥 (GRM)吸附劑,并發現 GRM對水溶液中的 Cd2+具有較強的吸附能力,適合工業化應用。A li等[22]將這種 GRM用于處理水中的 F-,吸附能力也較強。

A ltundogan等[23]還研究了赤泥對 A s5+和 A s3+的吸附作用。發現在堿性條件有利于赤泥對 A s3+的去除,體系 pH為 1.1～3.2時,赤泥對 A s5+的去除效果最佳。A ltundogan等[24]還研究了熱處理(200～800℃)赤泥和鹽酸活化赤泥對 A s5+和 A s3+的吸附性能。

N am asivayam等[25,26]將赤泥用于吸附紡織染料廢水中的剛果紅和酸性紫,吸附效果較好。W ang等[27]用硝酸活化和熱處理的方法分別處理赤泥后吸附廢水中堿性染料亞甲基藍,發現兩種方法都降低了吸附性能。Gup ta等[28]研究了用 H2O2活化的赤泥去除廢水中堿性染料的性能。

2.2 赤泥用于制備絮凝劑

由于以赤泥為原料制備的絮凝劑中含有大量的 Fe3+和 A l3+,具有較高的正電荷,可有效降低或消除水中懸浮膠粒的ξ電位,使其脫穩。當在鐵鹽和鋁鹽中加入聚硅酸后,聚硅酸鋁鐵絮凝劑就對水中膠粒具有較強的電中和作用,使膠粒脫穩,同時有吸附架橋作用。不少研究者將赤泥用于制備聚硅酸金屬鹽復合型高分子絮凝劑。

O rescan in等[29]采用稀硫酸浸出赤泥后,經過離心分離或真空過濾,制備了適于去除工業廢水中重金屬和濁度的固體聚硅酸鹽絮凝劑。羅道成等[30]在常壓通氧的條件下,用稀硫酸浸取制備了高效混凝劑聚硅酸鐵鋁,用于處理工業廢水的效果與聚合硫酸鐵相比,COD、色度和 SS去除率分別提高了 20%、28%和 10%。王海峰等[31]以拜耳法赤泥為原料制備了聚合氯化鋁鐵,比聚合氯化鐵和聚合氯化鋁絮凝劑具有更好的絮凝沉淀效果。

3 赤泥在廢氣治理中的應用

目前,采用赤泥治理的廢氣主要有 SO2、H2S和CO2。于紹忠等[32]將赤泥用于熱電廠煙氣脫硫,在噴淋塔內用赤泥噴淋吸收 SO2,處理前后 SO2質量濃度分別為 5 987m g/m3和 1 146m g/m3。由于赤泥中含有 30%左右的 Fe2O3,其中部分以水合氧化鐵形式存在的 Fe2O3對 H2S具有很強的吸附能力[33]。Jones等[34]利用赤泥和改性赤泥吸收 CO2,效果顯著。

4 赤泥在土壤修復中的應用

高衛國等[35]采用土壤培養實驗,研究了添加堆肥和赤泥對土壤中 Zn和 Cd生物有效性的影響,發現赤泥和堆肥均可降低土壤中的交換態 Zn和 Cd含量以及生物有效態 Zn和 Cd含量。L om b i等[36]研究了赤泥對土壤重金屬污染的修復作用,赤泥修復作用機理主要是赤泥對土壤中的 Cu2+、N i2+、Zn2+、Cd2+和 Pb2+等有較好的固著性能,使其從可交換狀態轉變為鍵合氧化物狀態,從而使土壤中重金屬離子的活動性和反應性降低。梁玉英等[37]發現赤泥可抑制土壤有效磷的釋放,減少磷素對環境的污染。

5 結語與展望

赤泥作為氧化鋁生產的一種工業廢渣,排放量大,長期以來,我國山東、河南、貴州、山西、廣西等六大氧化鋁生產基地逐年增多的赤泥一直未得到很好的利用,且對周圍環境造成了一定程度的污染。將赤泥作為吸附劑和絮凝劑應用到水處理中有效去除水中的重金屬離子、無機陰離子、有機染料等,以及用于廢氣的治理和對日趨污染嚴重的土壤進行修復,不但使難以處置的赤泥資源化,同時具有工藝簡單、成本低廉、效果顯著等優勢,是一種典型的以廢治廢的有效途徑。但是直接利用原狀赤泥作為吸附劑來處理水和廢氣,其吸附能力有限,人們主要采取酸活化、熱處理、鐵改性等預處理方法來提高吸附能力。如何尋找廉價并且高效的改性方法是赤泥作為吸附材料應用于環境治理中的一個重要的研究方向。同時赤泥處理水和廢氣中的各種污染物的吸附模型及催化作用的機理有待進一步深入研究,赤泥作為土壤修復劑也是解決赤泥最終的處置問題及資源化利用的一個重要方向。

1 Kum ar S,Kum ar R,B andopadhyay A. Innovative m ethodo log ies fo r the u tilization of w astes from m etallu rgical and allied industries.Resour Conserv Recyc l,2006, 48:301～314

2 Singh M,V padhayay S N,Prasad PM.Preparation of special cem en ts from red m ud.W aste M anage,1996, (8):665～670

3 Singh M,V padhayay S N,Prasad PM.Preparation of iron rich cem en ts using red m ud.Cem Concr Res,1997, (7):1 037～1 046

4 V incenzo M S,Renzo C,Stefano M,et al.B aux ite’red m ud’in the ceram ic industry partΙ:therm al behaviou r.J Eu r Ceram Soc,2000,(20):235～244

5 任根寬.用改性赤泥為原料制備水泥.化工環保,2008, 28(6):526～530

6 N ev in Y,V ahdettin S.U tilization of baux ite w aste in ceram ic g lazes.Ceram Int,2000,(26):485～493

7 張新玲,李春虎,侯影飛等.用白泥和赤泥制備煙氣脫硫劑.化工環保,2008,28(3):258～261

8 周秋生,范曠生,李小斌等.采用燒結法處理高鐵赤泥回收氧化鋁.中南大學學報 (自然科學版),2008,39(1): 92～96

9 Sharif Jahanshahi,W arren B ruckard,M ichael Som erv ille. Tow ards zero w aste and sustainab le resou rce p rocessing. CSIRO M inerals,2008,32(6):199～210

10 Jam ieson E,Jones A,Coo ling D,et al.M agnetic separation of Red Sand to p roduce va lue.M ine Eng,2006,19 (15):1 603～1 605

11 曹瑛,李衛東,劉艷改.工業廢渣赤泥的特性及回收利用現狀.硅酸鹽通報,2007,26(1):143～146

12 Shiao S J,A kashi K.Phosphate rem oval from aqueousso lution from ac tivated red m ud.W ater Po llut Con tro l Fed,1977,49:280～285

13 Huang W eiw ei,W ang Shaobin,Zhu Zhonghua,et a l. Phosphate rem ova l from w astew ater using red m ud. J Hazard M ater,2008,158:35～42

14 L i Yanzhong,L iu Chang jun,Luan Zhaokun,etal.Phosphate rem oval from aqueous so lutions using raw and ac tivated red m ud and fly ash.J Hazard M ateri,2006,137: 374～383

15 Zhao Y ing,W ang Jun,Luan Zhaokun,et al.Rem oval of phosphate from aqueous so lu tion by red m ud using a fac to ria l design.J Hazard M ateri,2008,139:1～7

16 ?enge log lu Y,K ir E.Rem oval of f luo ride from aqueous so lution by using red m ud.Sep Purif Techno l,2002,28: 81～86

17 ?enge log lu Y,To r A.Rem ova l of n itrate from aqueous so lution by using red m ud.Sep Purif Techno l,2006,51: 374～378

18 Zoubou lis A I,Kyd ros K A.U se of red m ud fo r tox ic m etals rem oval the case of nickel. J Chem Techno l B iotechno l,1993,58:95～101

19 文小年,王林江.赤泥對水體中鉛離子的吸附.桂林工學院學報,2005,25(2):245～247

20 韓毅,王京剛.用改性赤泥吸附廢水中的六價鉻.化工環保,2005,25(2):132～136

21 Zhu Chun lei,Luan Zhaokun,W ang Yanqiu,etal.Rem oval of cadm ium from aqueous so lu tions by adso rp tion on g ranu lar redm ud(GRM).Sep Pu rif Techno l,2007,57: 161～169

22 A li T,N ad ideD.Rem ovalof fluo ride from w ater by using granu lar red m ud:B atch and co lum n studies.J Hazard M ater,2009,164:271～278

23 A ltundogan H S,A ltundogan S,Tüm en F,et al.A rsen ic rem oval from aqueous so lutions by adsorp tion on red m ud.W asteM anage,2000,20:761～767

24 A ltundogan H S,A ltundogan S,Tüm en F,etal.A rsenic adso rp tion from aqueous so lu tions by ac tivated red m ud. W asteM anage,2002,22:357～363

25 N am asivayam C,A rasiD J S E.Rem oval of congo red from w astew ater by adso rp tion on to w aste red m ud. Chem osphere,1997,34(2):401～417

26 N am asivayam C,Yam una R T,A rasiD JS E.Rem ova l o f acid v io let from w astew ater by adso rp tion on w aste red m ud.Environ Geo l,2001,41:269～273

27 W ang S B,B oy joo Y,Choueib A,et a l.Rem ova l o f dyes from aqueous so lu tion using fly ash and red m ud.W ater Res,2005,39:129～138

28 Gup ta V K,Suhas A I,SainiV K.Rem oval of rhodam ine B,fast g reen,andm ethy lene b lue from w astew ater using red m ud,an alum inum industry w aste.Ind Eng Chem Res,2004,43:1 740～1 747

29 O rescanin V,N ad K.Red m ud and w aste base:raw m aterials fo r coagu lan t p roduction.J Trace M ic rop robe, 2001,19:419～428

30 羅道成,易平貴.用氧化鋁廠赤泥制備高效混凝劑聚硅酸鐵鋁.環境污染治理技術與設備,2002,3(8):33～35

31 王海峰,毛小浩,趙平源.工業廢酸與高鐵赤泥制取聚合氯化鋁鐵的實驗研究.貴州大學學報 (自然科學版), 2006,23(3):323～325

32 于紹忠,滿瑞林.赤泥用于熱電廠煙氣脫硫研究.礦冶工程,2005,25(6):63～65

33 W ang Xueqian,N ing Ping.Them anufacture of H2S sorbent by using of the w astem etallurgy.Proceedings V In ternational Conference on C lean Techno logis fo r the M ining Industry.Santiage:Chile,2000.9～13

34 Jones G,JoshiG,C larkM,etal.Carbon cap ture and the alum inum industry:p relim inary stud ies.Env iron Chem, 2006,(3):297～303

35 高衛國,黃益宗,雷鳴.添加堆肥和赤泥對土壤生物有效性 Cd和 Zn的影響.環境工程學報,2008,6(2):78～82

36 Lom biE,Zhao F J,W ieshamm erG,eta1.In situ fixation ofm eta ls in soils using baux ite residue:b io log ica l efec ts. Env iron Po llut,2002,118:445～452

37 梁玉英,黃益宗,朱永官等.赤泥對土壤磷素釋放的影響.農業環境科學學報,2007,26(1):286～289

Research Progresses in App lica tion of Red M ud to Env ironm en ta l Po llu tion Trea tm en t

Zhang Leguan1,2,Feng X inghua1,X iao Bo1
(1.Departm ent of Environm ental and M unicipal Engineering,Henan University of U rban Construction,Pingd ingshan Henan 467001,China; 2.Schoo l of Env ironm en tal Science and Engineering,Huazhong U niversity of Science and Technology,W uhan Hubei430074,China)

The basic charac teristics of redm ud are expounded.The app lication research status of red m ud as adso rben to r raw m aterial fo r coagu lan tp reparation inw ater treatm en t,w aste gas treatm en tand soil rem ed iation are in troduced. The po llu tion con tro lm echanism of red m ud is analyzed,and the fu tu re research d irec tion of redm ud app lication is p roposed.

redm ud;w ater treatm en t;adso rben t;floccu lan t;w aste gas treatm en t;so il rem ed iation

X 705

A

1006-1878(2010)01-0034-04

2009-06-23;

2009-08-19。

張樂觀 (1975—),女,湖北省黃岡市人,博士生,主要從事環境工程方面的研究。電話 15172516776,電郵 z lg@hnc j.edu.cn。

(編輯 祖國紅)