林智濤 麥俊明
(廣東省建筑材料研究院有限公司)
鎳鐵廢渣作為不銹鋼生產(chǎn)過程中不可避免的廢棄物,堆積的越來越多[1]。陽江市作為我國的不銹鋼生產(chǎn)基地,正面臨著鎳鐵廢渣大量堆積、造成污染環(huán)境的問題,每年約有300萬噸的鎳鐵廢渣被排出,而僅有13%的鎳鐵廢渣得到了利用,大量的廢渣堆積在尾礦庫里,造成了土壤和水污染[2-5]。
國內(nèi)部分企業(yè)嘗試采用鎳鐵廢渣制備機制砂,并與當(dāng)?shù)氐幕炷翑嚢枵竞献?,替代了部分的河砂,就地實現(xiàn)鎳鐵廢渣的資源化利用,取得了良好的效果,正逐步實現(xiàn)其鎳鐵廢渣的100%資源化利用,此外還有部分企業(yè)采用鎳鐵廢渣制備鎳渣微粉用作鎳渣混合材,也取得了很好的效果[6]。然而鎳鐵廢渣在實際應(yīng)用過程中仍存在重金屬溶出的問題,目前卻鮮有研究人員報道[7-9],本文主要針對鎳鐵廢渣在實際應(yīng)用過程中幾種常規(guī)預(yù)處理工藝進行研究,探究預(yù)處理工藝對鎳鐵廢渣的重金屬溶出的影響,為鎳鐵廢渣預(yù)處理工藝的調(diào)整提供參考。
鎳鐵廢渣來自廣東某鎳鐵冶煉廠,利用100目篩進行篩分,其基本組成見表1;無機外加劑、NaOH、Na2SO4為國藥集團購買(AR)。
表1 鎳鐵廢渣的基本組成
采用X射線衍射儀(XRD)測定鎳鐵廢渣的主要礦物組成;鎳鐵廢渣采用微波消解儀消解然后采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP)測試各種重金屬的含量。
鎳鐵廢渣的形成工藝采用水冷,XRD譜如圖1所示。由圖1可知,鎳鐵廢渣主要由Mg2SiO4、Fe2SiO4、Fe2O3和SiO2組成,在5°~15°的區(qū)間內(nèi)存在饅頭狀的峰,這一般是非晶玻璃態(tài)的物質(zhì)所特有的峰,這說明鎳鐵廢渣內(nèi)存在玻璃相,可能會存在重金屬氧化物。
圖1 鎳鐵廢渣的XRD圖譜
將鎳鐵廢渣粉磨至比表面積約400m2/㎏后測定其重金屬含量,其結(jié)果如表2所示。
表2 鎳鐵廢渣重金屬浸出濃度 (mg/L)
鎳渣微粉中As、Pb、Cr、Zn和Ni重金屬浸出濃度均低于GB 5085.3-2007《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》標(biāo)準(zhǔn)限值。因此,從鎳鐵廢渣浸出特性上看,其屬于一般工業(yè)固體廢棄物,不屬于危險固廢。
以無機外加劑、NaOH和Na2SO4為活性激發(fā)劑,摻量按鎳鐵廢渣質(zhì)量百分比計算,重金屬浸出濃度結(jié)果如表3和圖2所示。
表3 活性激發(fā)劑對鎳鐵廢渣重金屬含量的影響
由圖2中可以看出,不同的活性激發(fā)劑對鎳鐵廢渣的重金屬浸出有較大影響。在添加無機外加劑為活性激發(fā)劑后,重金屬Cd在添加少量時呈現(xiàn)未檢出狀態(tài)(0.0001mg/L),但是當(dāng)添加量達(dá)到4%時,重金屬Cd能被檢出(0.0028mg/L),這說明無機外加劑的加入可以誘使重金屬Cd的溶出,分析其原因,Cd在鎳鐵廢渣中基本存在于固溶體中,無機外加劑的加入,可以釋放出更多的金屬離子,用以置換出固溶體中的Cd;重金屬Cr、Pb和Mn受到無機外加劑的影響呈上升趨勢,無機外加劑的添加量越大,重金屬Cr、Pb和Mn的浸出量越大,這說明無機外加劑對重金屬Cr、Pb和Mn的浸出量影響較大,因此我們要關(guān)注在應(yīng)用過程中,無機外加劑對重金屬Cr、Pb和Mn的浸出的影響。NaOH和Na2SO4作為堿性激發(fā)劑對重金屬浸出的影響更大,首先,由于其都具有金屬Na離子,Na離子的活性高,更容易置換出固溶體中的重金屬,加速了重金屬的浸出;第二,NaOH作為強堿,對整個膠凝材料的pH有著重要的影響,在堿性環(huán)境中更容易浸出的Pb和Cu得到了更高的浸出。
圖2 活性激發(fā)劑對鎳鐵廢渣重金屬含量的影響
機械粉磨是最常見的一種預(yù)處理方法,在實際生產(chǎn)中被用來生產(chǎn)粉末狀的材料。鎳鐵廢渣經(jīng)過機械粉磨后,可被磨成粉末狀,用于生產(chǎn)水泥等建筑材料。研磨時間作為影響鎳鐵廢渣粒徑的重要因素經(jīng)常被用來表征鎳鐵廢渣的耐磨性,本文主要研究研磨時間對鎳鐵廢渣重金屬浸出量的影響。
表4和圖3可知,鎳鐵廢渣的比表面積隨粉磨時間的增加逐漸增大,但增長幅度逐漸減小,50min后趨于穩(wěn)定;與此同時,鎳鐵廢渣的80μm篩余隨著粉磨時間的延長而表笑,變化幅度減小,50min后趨于穩(wěn)定。這說明鎳鐵廢渣的易磨性較差,長時間的粉磨有可能會導(dǎo)致鎳鐵廢渣中重金屬溶出的變化。
圖3 研磨時間對鎳鐵廢渣比表面積和80μm篩余的影響
由圖4可知,隨著粉磨時間的增加,重金屬Zn和Mn的浸出量逐漸增大,當(dāng)粉磨時間到達(dá)40min時,重金屬Zn和Mn的浸出量相較于前30min增加的幅度較大,數(shù)倍于前30min的浸出量,結(jié)合粉磨時間對鎳鐵廢渣比表面積和80μm篩余的影響來分析,粉磨時間大于等于40min時,鎳鐵廢渣的比表面積和80μm篩余均到達(dá)拐點。
圖4 粉磨時間對鎳鐵廢渣重金屬浸出含量的影響
從圖5可以發(fā)現(xiàn),除了Cd和Ni以外,其他重金屬浸出基本呈上升趨勢,這說明粉磨時間的增加可以加強重金屬的浸出能力。粉磨時間的增加不單單是細(xì)度和比表面積的增大,在粉磨過程中的發(fā)熱或?qū)е骆囪F廢渣的結(jié)構(gòu)重組,因此導(dǎo)致重金屬更易被浸出。重金屬Cr、Cu、Pb、Zn和Mn均在粉磨時間為70min時達(dá)到最大值,而40~50min的時間段除了Mn和Zn,其他重金屬均有下降的趨勢,參照比表面積和80μm篩余,考慮到重金屬的浸出和生產(chǎn)能耗,建議控制粉磨時間為50min。
圖5 粉磨時間對鎳鐵廢渣重金屬浸出的影響(分元素)
綜上所述,在機械粉磨過程中并不是粉磨時間越長越好,在實際應(yīng)用過程中,考慮到生產(chǎn)能耗、設(shè)備磨損、重金屬浸出的問題,選擇一個合適的粉磨時間對鎳鐵廢渣的應(yīng)用更加有利。
本實驗研究鎳鐵廢渣預(yù)處理工藝對其重金屬溶出的影響,對現(xiàn)有的鎳鐵廢渣預(yù)處理工藝進行優(yōu)化,并選擇化學(xué)激活、機械粉磨兩種不同的預(yù)處理方式對鎳鐵廢渣進行預(yù)處理,分析經(jīng)過不同預(yù)處理后的鎳鐵廢渣的重金屬分布及溶出情況,評價預(yù)處工藝對于鎳鐵廢渣中重金屬溶出及分布的影響,主要得出如下結(jié)論:
⑴以無機外加劑、NaOH和Na2SO4為活性激發(fā)劑對鎳鐵廢渣進行活性劑發(fā)后,鎳鐵廢渣的重金屬浸出量明顯增大,無機外加劑對重金屬Cr、Pb和Mn的浸出量影響較大,NaOH對重金屬Pb和Cu的浸出有著顯著的增大。
⑵除了Cd和Ni以外,其他重金屬浸出基本呈上升趨勢,這說明粉磨時間的增加可以加強重金屬的浸出能力,參照比表面積和80μm篩余,考慮到重金屬的浸出和生產(chǎn)能耗,建議50min為最佳粉磨時間。