桂西拜耳法赤泥靜態(tài)淋溶堿釋放影響因素試驗

歐孝奪, 秦金喜, 陳盛金, 江 杰*, 呂政凡, 黃中正, 白 露

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 南寧 530004； 2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室, 南寧 530004；3.廣西金屬尾礦安全防控工程技術(shù)研究中心, 南寧 530004； 4.廣西瑞宇建筑科技有限公司, 南寧 530031)

拜耳法赤泥是氧化鋁生產(chǎn)過程中,在鋁土原礦加入大量氫氧化鈉溶出氧化鋁后形成的廢渣,由于生產(chǎn)工藝的特殊性,赤泥堿性極高[1-2],其主要分為兩類即可溶性堿和非可溶性堿[3],又稱游離態(tài)堿和結(jié)合態(tài)堿[4]。

桂西地區(qū)是中國氧化鋁的主要生產(chǎn)基地,氧化鋁產(chǎn)能增加的同時赤泥綜合利用率仍然較低,新堆存的拜耳法赤泥逐年遞增,由此引發(fā)的赤泥堆場儲存空間不足及堆場對周圍環(huán)境的影響作用等問題亟待解決。對赤泥大規(guī)模綜合利用可有效緩解堆場儲存空間不足,但赤泥中堿的存在,卻嚴重制約了赤泥大規(guī)模直接應(yīng)用,Liu[5]、王輝等[6]學(xué)者直接采用大摻量改性赤泥用于路基工程,發(fā)現(xiàn)其路用性能良好但在使用后期由于赤泥高堿性質(zhì)其表面出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象,不符合工程使用要求；因此,目前赤泥仍主要以堆存為主。

赤泥在堆場堆存期間,表面赤泥長期裸露堆存于地表,在降雨和蒸發(fā)的影響下,產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)作用,雨水通過徑流和滲流作用可將赤泥中的污染組分溶出,對赤泥庫區(qū)周圍環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。為探究各因素對赤泥污染組分釋放的影響,學(xué)者們進行了廣泛研究。楊永瓊等[7]采用逐級提取的方法分析了赤泥中8種主要重金屬的浸出情況和形態(tài)分布差異,發(fā)現(xiàn)赤泥體系中各金屬的結(jié)合形態(tài)不一,從而導(dǎo)致各重金屬總浸出率的差異大。崔宇龍等[8]采用pH序批式方法對5種不同地區(qū)的赤泥中的Pb、As、Cr、F-,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在pH=2的條件下Pb、Cr、F-均有最大浸出質(zhì)量濃度,且在高pH條件下仍提高了重金屬的浸出。褚學(xué)偉[9]采用靜動態(tài)淋濾試驗著重明確了黔中赤泥主要陽離子和陰離子在不同淋濾條件下的析出規(guī)律并建立了各離子的遷移模型,并預(yù)測了在降水作用下赤泥堆場對周圍水體的影響狀況。

上述學(xué)者的研究明確了部分因素對赤泥中相關(guān)污染組分的釋放對環(huán)境的影響,對由赤泥引發(fā)的周圍環(huán)境污染有較大的指導(dǎo)意義。但通過實地調(diào)研和查閱相關(guān)文獻[10],由于桂西拜耳法赤泥的高堿性,其在堆存過程中遭受降雨作用而釋放的可溶性堿對水體土體環(huán)境的影響較為明顯,而目前尚缺乏相關(guān)研究。

鑒于此,通過堿賦存試驗明確桂西拜耳法赤泥堿賦存的狀態(tài)及含量；采用靜態(tài)淋溶試驗不同環(huán)境因素下赤泥中堿的淋溶釋放過程并分析各因素下淋出液的pH及溶液中的堿含量,進而分析赤泥中的影響堿釋放的主要因素,初步探討不同條件下堿溶出的機制；最后通過正交分析法確定幾種主要環(huán)境因素影響的強弱,以期為降水作用下赤泥堆場對周圍水體污染的評價及降水作用下產(chǎn)生的淋溶液的處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品的采取與化學(xué)礦物特征

采用“蛇形布點法”在廣西靖西市某氧化鋁廠1#赤泥堆場的新堆排區(qū)域?qū)ふ?0處取樣點,每處分別取樣1 kg[11],將10組新鮮赤泥在105 ℃的烘箱中經(jīng)過8 h后烘干,采用“四分法”對烘干后的赤泥混合棄取縮分。如圖1所示,按照土工試驗方法標準(GB/T 50123—2019)采用甲種密度計法得出的赤泥的顆分曲線圖,赤泥的粒徑在0.1 mm以內(nèi),故將取回赤泥烘干碾碎過0.1 mm篩備用。

圖1 赤泥顆分曲線

采用S8-TIGER型X射線熒光光譜儀(XRF)測定赤泥的化學(xué)成分結(jié)果如表1所示,赤泥中主要氧化物為Fe2O3、A12O3、SiO2、CaO、Na2O,五者氧化物含量之和占總含量的85%以上。一般來說赤泥中的堿性氧化物為Na2O、K2O,但Na2O占總量的9.21%,而K2O僅為0.16%,故在進行赤泥中堿釋放試驗研究過程中主要考慮Na2O的釋放。

表1 赤泥主要化學(xué)組成

采用X’Pert PRO MRD/XL高分辨衍射儀及Jade6.5軟件對赤泥進行測試分析,射線波長λκα=1.540 60 ?,管壓40 kV,管流40 mA,衍射角(2θ)角度范圍為5°～75°,步長0.02°,掃描速度為5°/min。赤泥經(jīng)X射線衍射(XRD)后圖譜如圖2所示,從圖2可知赤泥中主要的礦物成分為赤鐵礦(Fe2O3)、鈣鐵榴石[Ca3(Fe0.87Al0.13)2(SiO4)1.65(OH)5.4]、方鈉石[Na7.88(Al6Si6O24)(CO3)0.95]、鈣霞石[Na8(AlSiO4)6(OH)2.04(H2O)2.66],上述中堿性礦物即為赤泥中堿賦存的主要方式。本試驗所使用的赤泥為濾餅干法堆存赤泥,赤泥顆粒附著的氫氧化鈉、碳酸鈉較少,故通過X射線衍射(XRD)手段不能尋找到可溶性堿存在的物相[12]。

圖2 赤泥XRD圖

1.2 測試方法

赤泥淋溶液中鈉堿含量采用6400A型火焰光度計測定,pH采用PHS-3C型pH計測定,電導(dǎo)率采用DDS-307電導(dǎo)率儀測定。

采用火焰光度計測量淋溶液中的鈉堿的含量[3,13]計算溶液中堿濃度、堿釋放量及釋放率。使用火焰光度計時,需對火焰光度計進行標定,標定后所得火焰光度計的標準曲線如圖3所示。

圖3 Na2O標準曲線

Na2O濃度通過通道模擬值讀數(shù)并參照文獻[13]的方法,按照下式采用各分段間的差值來計算所測量氧化鈉的濃度。

(1)

式(1)中：CNa2O為待測溶液中氧化鈉的濃度,mg/L；D測為待測溶液在火焰光度計上的通道模擬值；DL為待測溶液所在濃度范圍的最低通道值；DH為待測溶液所在濃度范圍的最高通道值；CL為待測溶液所在濃度范圍的標液的最低濃度值,mg/L；CH為待測溶液所在濃度范圍的標液的最高濃度值,mg/L。

堿溶出率的計算可通過溶液中堿濃度及體積關(guān)系得到堿溶出量,再除以赤泥中的可溶性堿而得到。

1.3 研究路線

由于確定赤泥中堿賦存狀態(tài)是研究赤泥中堿釋放的前提,因此首先測定桂西拜耳法赤泥中可溶性堿和非可溶性堿含量。然后通過改變淋溶液的條件分析淋溶液中堿含量隨時間的增長規(guī)律及堿釋放量,分析赤泥在模擬降水的淋溶液中堿釋放的主要影響因素。最后采用正交分析法確定主要影響因素的影響程度的強弱。

2 拜耳法赤泥堿賦存試驗

2.1 試驗設(shè)計

由于在常溫下采用去離子水需多次浸取赤泥中的堿,堿浸出慢[14]。當去離子水溫度為60 ℃、固液比為1∶100、靜態(tài)浸泡4 h的條件下水洗10次可溶性堿全部浸出[12]。為加快試驗進程,研究桂西拜耳法赤泥中堿賦存狀態(tài)和含量采用文獻[12]的研究方法,采用去離子水多次浸取,直至上清液中的堿含量不再變化為止[3]。

由于拜耳法赤泥只含有可溶性堿和非可溶性堿,可溶性堿可通過去離子水浸取而得,而非可溶性堿則通過與赤泥中Na2O的量相減計算得出[3]。

2.2 試驗步驟

采用高精度稱量天平稱取烘干后過0.1 mm篩赤泥1.000 0 g(精確至0.000 1)共計4份裝入150 mm錐形瓶中,并加入100 mL的去離子水。在溫度為60 ℃,浸取4 h條件下為一次浸堿過程,浸堿結(jié)束后采用真空抽濾泵和0.45 μm的水系濾膜將赤泥和浸取液分離,測量抽濾液的堿含量、pH及電導(dǎo)率。

2.3 試驗結(jié)果分析

2.3.1 堿賦存狀態(tài)研究

由圖6可知,在浸取試驗進行至23次、24次時發(fā)現(xiàn)浸出液中堿含量很小,且基本保持不變,此時可認為溶性堿在赤泥中已經(jīng)被完全浸出[12]。通過累加計算可知,1.000 0 g赤泥中的可溶性堿總量為28.04 mg,而通過XRF測量可知1.000 0 g赤泥中平均含有總堿92.1 mg,由此可計算各堿賦存狀態(tài)的含量及占比如表2所示。

表2 赤泥堿賦存狀態(tài)含量

通過對比鐘晨等[12]所研究的拜耳法赤泥,發(fā)現(xiàn)桂西拜耳法赤泥的可溶性堿含量較低。分析原因主要是因為試驗所用赤泥采用濾餅干法堆存赤泥,赤泥中的濾液經(jīng)過多次抽濾,在赤泥表面上附著的可溶性堿較少。圖4為原狀赤泥和水洗后赤泥進行XRD測試后的對比圖,二者XRD圖譜基本一致,鈣鐵榴石、方鈉石由于其化學(xué)形態(tài)穩(wěn)定其衍射峰強度未發(fā)生改變。但圖譜中鈣霞石的衍射強度下降,這是因為鈣霞石是由加入的氫氧化鈉和其他礦物復(fù)合而成且以Na2O·Al2O3·2SiO2為核心的礦物晶體,在水中部分發(fā)生了溶解。故可知該赤泥中非可溶性堿主要以方鈉石和大部分穩(wěn)定的鈣霞石等礦物形式存在[14]。

圖4 水洗浸堿及原狀赤泥XRD圖

將浸取后的溶液采用萬用電爐蒸干,對蒸干物進行XRD分析并分析其中礦物相,以探究赤泥中可溶性堿的存在方式。由圖5可知,蒸干樣中主要含有Na2CO3·H2O、NaOH、NaHCO3、NaAlO2等礦物,推測桂西拜耳法赤泥中可溶性堿主要以Na2CO3·H2O、NaOH、NaHCO3、NaAlO2以及上述所說的部分可溶鈣霞石存在,且以前四類形式存在的堿均易溶于水,在水中極易釋放,而部分可溶的鈣霞石則溶解緩慢。

圖5 赤泥浸取液蒸干后粉末XRD圖

2.3.2 堿浸出變化歷程分析

由圖6可知,浸出堿含量隨著浸取次數(shù)呈現(xiàn)冪減小規(guī)律,這一階段按照堿釋放的快慢以及變化過程分為三個階段,分別是:快速釋放階段(1～8次)、緩慢釋放階段(9～21次)、穩(wěn)定階段(22～24次)。

圖6 堿浸出變化歷程圖

在緩慢釋放階段,其在每次浸堿過程中均小于1 mg,此時可溶性堿的浸出趨于平緩。推測在這一階段主要是赤泥體系中含有類似于方鈉石及不溶于水的鈣霞石等礦物中含有的硅鋁體系[Al6Si6O24]會將部分可溶性堿物理吸附于結(jié)構(gòu)中[12],在不斷抽濾、添加去離子水的過程中,浸取液中的電離平衡不斷被破壞而將硅鋁結(jié)構(gòu)中吸附的可溶性堿完全釋放出。在堿浸出穩(wěn)定階段,堿依舊會隨著抽濾而少量的浸出,分析原因為:在可溶性堿完全浸出后,由于浸取的環(huán)境在60 ℃條件下進行,赤泥中的非可溶性堿可能會發(fā)生少量溶解反應(yīng)。推測桂西拜耳法赤泥中非可溶性堿產(chǎn)生下列的溶解反應(yīng)[15]。

方鈉石:

[Na6Al6Si6O24]·[Na2CO3]+24H2O→8Na++

(2)

鈣霞石:

[Na6Al6Si6O24]·2[NaOH ]+24H2O→8Na++

6H4SiO4+6Al(OH)3+8OH-

(3)

2.3.3 pH和電導(dǎo)率變化歷程分析

圖7 pH及電導(dǎo)率變化歷程圖

后期電導(dǎo)率值呈現(xiàn)出相對穩(wěn)定的狀態(tài),這是[Al6Si6O24]通道內(nèi)的堿及易溶鈣霞石溶解的堿釋放至溶液中而導(dǎo)致。pH值下降變化則相對緩慢些,這是因為赤泥顆粒附著的Na2CO3、NaOH、NaHCO3等溶于水,可直接電離出OH-,而后期溶液中的OH-主要靠水電離及難溶堿溶解而釋放,其產(chǎn)生的OH-濃度遠遠小于Na2CO3、NaOH、NaHCO3電離產(chǎn)生的OH-,故其pH接近于中性。

3 拜耳法赤泥堿釋放影響因素試驗

為探究拜耳法赤泥堿釋放的影響因素,根據(jù)庫區(qū)降雨條件和赤泥的基本特征,遴選了粒徑、固液比、溫度、pH、是否攪動作為變量,根據(jù)堿浸出濃度隨著時間變化規(guī)律、pH變化分析其影響程度。最后選取主要影響條件進行正交分析,得到影響堿釋放因素的強弱關(guān)系。

3.1 試驗裝置及設(shè)計

3.1.1 試驗裝置及操作

3.1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計如表3所示,共進行14組試驗。

表3 試驗設(shè)計表

3.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)火焰光度計測量所得的溶液中的堿的含量以及pH計測出的pH,繪制不同淋溶條件下赤泥中堿浸出濃度、pH隨時間的變化曲線圖。

(1)三組不同粒徑范圍下溶出堿濃度及pH隨著時間變化如圖8所示。溶液中堿溶度及pH在前期變化規(guī)律相似,均在120 h左右達到平衡。粒徑小于0.1 mm及小于0.075 mm的組別上升的快慢雖有些許差異,但其堿濃度及pH趨于相同,究其原因是因為赤泥是由鋁土原礦經(jīng)粉碎后溶出氧化鋁得到的殘渣,其粒徑幾乎在0.1 mm內(nèi),而小于0.075 mm的粒徑達到了89.2%,故兩者粒徑范圍內(nèi)的赤泥和溶液接觸的面積相差不大,僅影響了堿釋放的速度,不影響其最終濃度。而0.075～0.1 mm粒徑的赤泥,由于其表面積相對于另外兩組較小,和溶液接觸面積較小,故其最終的濃度和pH值低于另兩組。由此可知,不同粒徑對于赤泥中的堿釋放影響較小。

圖8 不同粒徑條件下溶液堿溶出量及pH變化曲線

(2)五組不同的pH初始淋溶液下,各組溶液中堿濃度隨時間的變化曲線如圖9所示。當pH=2時,溶液中的堿濃度為240 mg/L,明顯比其他pH條件下的組別堿濃度高,而赤泥在pH=3的條件下堿濃度為67.6 mg/L,相對于pH=4、pH=5、pH=7.6溶液中堿溶度增加不多。在pH=3的溶液中,赤泥顆粒上附著的堿性物質(zhì)會馬上溶解并發(fā)生中和反應(yīng),從而使溶液中的最終pH有明顯的降低。但同時,溶液中離子的減少又會促進硅鋁體系[Al6Si6O24]通道內(nèi)堿性物質(zhì)的釋放,從而使溶液中的最終pH提高。在pH=4、pH=5兩種溶液的環(huán)境中,由于其中含有的較少的H+,故直接同赤泥在溶解的過程釋放的OH-直接發(fā)生反應(yīng),因此，堿釋放及pH基本同pH=7.6的無差別。因此，推測在實際降水過程中,由于采樣區(qū)最小的降雨pH為4.25,酸雨在庫區(qū)表面形成徑流情況和正常雨水對堆存赤泥堿釋放影響程度基本相同。而在pH=2的高酸性溶液中,堿濃度含量高的原因:一方面是溶液中的H+和赤泥釋放的OH-不斷發(fā)生反應(yīng),降低了溶液和赤泥之間的離子濃度差,使在硅鋁體系通道內(nèi)的堿性物質(zhì)能夠釋放到溶液中。另一方面則是在酸性較高的溶液中,溶液中H+會與赤泥中部分的非可溶性堿產(chǎn)生酸解反應(yīng),使非可溶性堿方鈉石、鈣霞石礦物中所含堿物質(zhì)釋放。在加入pH=2溶液組別中,還發(fā)現(xiàn)其中的赤泥顆粒易沉降,赤泥溶液中的水澄清,這是因為在無機酸和赤泥發(fā)生反應(yīng)時能夠促進赤泥中的大團聚體的形成,從而改善赤泥內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)[17]。

圖9 不同pH條件下溶液堿溶出量及pH變化曲線

為探究赤泥在酸性溶液中堿釋放量高的機理,采用pH=2、pH=3試驗結(jié)束后物質(zhì)進行XRD分析。XRD分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同pH溶液浸堿后與原狀赤泥XRD圖

圖10分別為pH=2、pH=3的淋溶液淋溶后的赤泥和原狀赤泥的XRD圖像,可知在pH=2、pH=3的條件下方鈉石、鈣霞石、水化石榴石的部分衍射峰峰強減弱,在pH=2條件下的組別三者的峰強下降更明顯,堿性礦物在pH=3溶液的組別更強。在pH=2的條件下溶液中的H+主要發(fā)生中和反應(yīng)及與少部分堿性礦物發(fā)生反應(yīng),大部分堿性礦物仍未反應(yīng),也導(dǎo)致其中通道中所吸附的堿物質(zhì)在堿濃度高的環(huán)境中未來得及釋放,故而最終堿溶出率僅占總堿的25.1%；而pH=3的條件下,推測溶液中的H+主要發(fā)生了中和反應(yīng),促進通道內(nèi)附著的游離堿釋放,而與堿性礦物發(fā)生反應(yīng)較pH=2的組別少得多,因此其堿性物質(zhì)溶出量遠小于pH=2。pH=4、pH=5的條件,由于H+含量極少,而赤泥溶液堿性較高,對堿的溶出基本不起作用。從圖中pH的變化規(guī)律可看出,pH=2溶液中最終的pH超過8,說明赤泥溶液中的堿性礦物具有較強的緩沖能力。Khaitan 等[18]也指出赤泥中非可溶性堿的緩沖能力較強,加入無機酸之后,赤泥pH先降低后緩慢回升。故在使用廢酸處理匯集而來的雨水時,可先采用過濾設(shè)備過濾赤泥顆粒或者加入絮凝劑沉淀后再加廢酸處理后外排,這樣對環(huán)境才不會造成過大危害。在無機酸溶液環(huán)境中,主要發(fā)生以下反應(yīng)使得赤泥中堿釋放[14]。

①可溶性堿:

(4)

②非可溶性堿:

4Na2SO4+3Al2(SO4)3+6Si(OH)4+H2O+CO2↑

4Na2SO4+6Al(OH)3+6H2SiO3

(6-4x)H2O+xH4SiO4+2Al(OH)3

(5)

(3)設(shè)置四組不同的溫度的初始淋溶液并放置在相應(yīng)的環(huán)境下觀察溶液中堿濃度及pH值隨時間變化規(guī)律如圖11所示。10、20、30、40 ℃的條件下堿濃度分別為35.4、47.4、61.5、66.8 mg/L,在10～40 ℃范圍內(nèi),溶液中堿濃度隨著溫度的升高而增大,堿釋放平衡時間逐漸變長。這主要因為在較高溫度下,溶液中分子運動相對較為劇烈,赤泥表面附著的可溶性堿易脫離附著界面而釋放至溶液中,從而導(dǎo)致溶解-脫附平衡點提高,進而溶液中的堿濃度提高。在30、40 ℃的條件下溶液中堿釋放相差不大,但遠大于10、20 ℃時堿釋放濃度,說明赤泥中堿釋放和溫度有較大的關(guān)系。因而推測:在實際堆存過程中,由于季節(jié)不同導(dǎo)致的溫度不同,在降雨過程

圖11 不同溫度條件下溶液堿溶出量及pH變化曲線

中在庫區(qū)表面形成的徑流堿濃度、pH均不相同,夏季較冬季堿釋放量可大幅度增加。

(4)采取四組不同液固比條件下溶出堿濃度及pH隨著時間的變化如圖12所示。溶液中含堿量受液固比影響明顯。在液固比為10 mL/g的條件下溶液中的堿濃度達到231 mg/L,堿溶出率占可溶性堿的8.18%,其穩(wěn)定時間為168 h；而在液固比為100 mL/g的條件下,溶液中堿溶度為61.5 mg/L,堿溶出率占可溶性堿的21.65%,堿溶出穩(wěn)定時間為120 h。由此可知,液固比越大,赤泥中的可溶性堿溶出越容易,堿溶出更加充分,究其原因為:液固比增大,赤泥中的堿和溶液中的堿內(nèi)外梯度變大,使得堿溶出更加充分,同時達到穩(wěn)定的時間也相對較短。由于電離受多種條件的影響,當達到一定濃度后,形成電離平衡,從而使得可溶性堿釋放停止。

圖12 不同液固比條件下溶液堿溶出量及pH變化曲線

(5)不同攪動條件下堿濃度及pH隨時間變化如圖13所示。從圖中可知,攪動與否對堿濃度、pH的增長過程有較大的的影響。攪動組別的堿濃度和pH較快達到平衡,其在前期(20 h)增長速度較快,后期變緩；而不攪動組別則在196 h時堿濃度和pH才達到平衡狀態(tài)。究其原因是,間歇攪動過程加速了各組分的分析運動,增加赤泥顆粒和水之間的有效接觸面積加速了赤泥中的可溶性堿的溶出速率。120 h后隨著時間的增加,不攪動組別的堿濃度和pH在增加逐漸靠近攪動組,最終兩組別堿濃度和pH相差不大。分析原因為:赤泥粒徑較小均小于0.1 mm而絕大部分的粒徑則小于0.075 mm,導(dǎo)致赤泥顆粒懸浮于水中較難下降沉淀,再者赤泥顆粒的表面積較大,與水接觸的面積也大,基于此不攪動組別赤泥中的堿慢慢釋放最終于趨近攪動組別。

圖13 不同攪動條件下溶液堿溶出量及pH變化曲線

各條件下溶液最終濃度、pH、堿溶出率如表4所示。

表4 不同組別測量結(jié)果

由表4知,除在pH=2的作用下最終溶液的pH在9以下,其余組別的赤泥淋溶水pH均大于9,甚至在低液固比的條件下pH接近11,遠高于地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838—2002)對于地表水質(zhì)量的標準。由此可知,在降雨作用下,經(jīng)赤泥淋溶后的雨水有很大的有害性,在排放時需對其有效處理。本文中堿釋放是由鈉離子釋放來確定的,通過堿溶度轉(zhuǎn)化為鈉離子溶度可知,除在液固比為10 mL/g的組別下，其余組別中鈉離子濃度均能滿足國家生活飲用水標準(GB5749—2006),但同時也應(yīng)注意赤泥中堿的釋放受多種因素的影響,應(yīng)時刻關(guān)注降水作用下淋溶水以及徑向滲流水對環(huán)境的累積影響。赤泥中含有大量不可溶性礦物,可溶解性固體在高液固比條件下未超過規(guī)范要求。

3.3 正交試驗分析

由上述試驗結(jié)果可知,赤泥淋溶液初始溶液pH、固液比、粒徑大小、環(huán)境溫度、是否擾動等因素對赤泥中的堿釋放均有影響,但影響程度不一。根據(jù)最終濃度、pH大小、電導(dǎo)率、堿浸出等相關(guān)測試結(jié)果比較,受影響較大的三個因素為淋溶液初始pH、固液比、環(huán)境溫度這三個條件。而赤泥在自然條件下堿釋放受多種因素共同作用,為探討赤泥在多種因素作用下的堿釋放影響程度的強弱,擬采用正交分析法分析各因素對指標強度的影響。試驗設(shè)置A、B、C三個變量因素,其中三因素中設(shè)置三水平,分別為:pH=3、pH=4、pH=5；10 ℃、20 ℃、30 ℃；20 mL/g、50 mL/g、100 mL/g。

試驗步驟仍采用上述試驗方式,每日固定搖晃30 s,待到216 h后取上清液測量其pH、溶出堿溶度等數(shù)值,計算三因素影響程度大小。

正交設(shè)計如表5所示。

表5 L9(33)正交試驗表

采用極差分析法分析初始溶液pH、環(huán)境溫度、液固比對赤泥的pH、堿濃度、堿溶出率的影響及敏感度排行如表6所示。

表6 正交分析極差分析結(jié)果

由正交試驗結(jié)果可知,赤泥在溶液中的最終pH影響因素排列由小到大為初始溶液pH、液固比、環(huán)境溫度,而堿濃度、堿溶出率影響因素排列由小到大為液固比、環(huán)境溫度、初始溶液pH。

4 結(jié)論

本文對桂西拜耳法赤泥進行堿賦存試驗與靜態(tài)淋溶堿釋放影響因素試驗,得到了赤泥中的堿主要賦存狀態(tài)和含量以及各條件因素下赤泥中的堿釋放的影響規(guī)律。通過正交分析法明確了各因素對pH、堿濃度、堿溶出率的影響強弱程度。主要研究結(jié)論如下:

(1)桂西拜耳法赤泥中可溶性堿和非可溶性堿,分別占總堿量的30.8%、69.2%。可溶性堿主要賦存于碳酸鈉、氫氧化鈉、碳酸氫鈉、鋁酸鈉及部分可溶的鈣霞石中；非可溶性堿主要賦存于方鈉石、難溶性鈣霞石等；由桂西拜耳法赤泥中堿的賦存形態(tài)可針對性地選擇合適的高效經(jīng)濟工業(yè)化脫堿方法,以期實現(xiàn)大規(guī)模綜合利用。

(2)液固比、淋溶pH、環(huán)境溫度對赤泥的堿溶出濃度有較大的影響,是否攪動、粒徑則對赤泥中的堿溶出濃度影響較小。

(3)赤泥中含有大量的堿性礦物,其緩沖能力很強。在處理淋溶水中應(yīng)將赤泥過濾或者添加絮凝劑后再進行處理,避免赤泥pH由于赤泥顆粒的存在會再次提升,排放時對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。

(4)參照國家生活飲用水標準(GB5749—2006),在液固比為10 mL/g的條件下其鈉離子的含量不符合生活飲用水三類水質(zhì),其余所有組別均可滿足。但在自然條件下經(jīng)過赤泥淋溶后的淋溶水pH遠高于國家生活飲用水和地表水環(huán)境質(zhì)量標準。

(5)正交試驗表明,赤泥淋溶液最終pH受初始溶液pH影響較大。溶液中堿濃度及堿溶出率受液固比影響較大,受初始溶液pH影響較小。在實際降水作用下,推測降雨強度、季節(jié)(溫度)對堿溶出影響較大,而酸雨對堿溶出的影響較小。