專利名稱：一種具有堿緩釋功能的多孔除磷陶粒及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對水體中磷酸鹽化學(xué)吸附的多孔陶粒濾料及其制造方法，更具體 的說是一種具有堿緩釋功能并能化學(xué)吸附降解水體中磷酸鹽的多孔陶粒濾料及其制備方 法，適用于市政污水和工業(yè)廢水的除磷系統(tǒng)，屬于環(huán)境工程水處理的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著水體富營養(yǎng)化問題的凸顯，污水中磷的排放受到越來越多的重視。目前，污水 處理系統(tǒng)尚不能消除和彌補人類活動對氮磷等物質(zhì)在自然過程中的強烈擾動，現(xiàn)有的排污 系統(tǒng)仍將導(dǎo)致部分氮磷最終流失在水環(huán)境中。有效地控制水體富營養(yǎng)化，就要控制水體的 磷含量，而控制水體磷含量往往比控制氮含量更有實際意義。對污(廢)水磷的去除通常 使用的方法主要有生物法和化學(xué)法。生物法除磷工藝運行穩(wěn)定性較差，出水難以滿足排放 標準要求；化學(xué)法除磷具有較好效果，但存在化學(xué)藥劑費用高，產(chǎn)生的化學(xué)污泥脫水困難， 易產(chǎn)生二次污染等問題。吸附除磷方法在一定程度上彌補了上述方法存在的技術(shù)缺陷，近 年來得到了快速發(fā)展。吸附法除磷利用吸附劑提供的大比表面積，通過磷在吸附劑表面的 附著吸附、離子交換或表面沉淀過程，實現(xiàn)磷從廢水中的分離，并可進一步通過解吸處理回 收磷資源。許多天然無定形物質(zhì)(如高嶺土、膨潤土和天然沸石)及工業(yè)爐渣(如高爐爐 渣和粉煤灰)等，都對水中磷酸根離子具有一定的吸附作用。研究表明這些材料的磷吸附 容量與材料中Ca、Mg、Al和Fe等金屬元素氧化物含量成正相關(guān)。目前化學(xué)吸附除磷技術(shù)主 要集中于吸附劑的開發(fā)，但除磷吸附劑在抗干擾性、吸附容量以及運行置換成本等方面存 在諸多問題，大規(guī)模工程應(yīng)用尚缺乏。隨著國家對水體除磷、禁磷要求的提高，吸附除磷技 術(shù)的應(yīng)用空間將會拓展，化學(xué)除磷吸附劑將會有良好的工程應(yīng)用前景。水體中磷污染源主要來源于農(nóng)業(yè)施肥、水土流失、含磷工業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢渣液、人 畜排泄物和含磷洗滌劑等等。水體中的磷以正磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷的形式存在，不同 的污水中總磷及各種形式的磷含量差別較大。典型的富營養(yǎng)化水體中總磷含量為0. 02 0. 5mg/L(以磷計)；典型的生活污水中總磷含量在3 15mg/L(以磷計)。在弱堿性水中 (pH值=8 10)，以CaHP04為主體的磷酸鹽是最活躍的組份。根據(jù)磷酸根離子化學(xué)性質(zhì)， 在微堿性氛圍和提供足夠的鈣離子濃度的條件下可以實現(xiàn)高效吸附除磷。硅酸鈣鹽類物質(zhì) 具有緩慢釋放鈣離子和堿度能力，特別是硬硅鈣石(Xonotlite)纖維粒子在中性溶液中能 夠緩慢釋放出Ca2+，本身最終轉(zhuǎn)化為SiO2凝膠，Ca2+的釋放使粒子內(nèi)部長期保持微堿性。硬 硅鈣石纖維粒子一般用來制備輕質(zhì)絕熱保溫材料。本發(fā)明基于水中磷元素的基本化學(xué)性質(zhì) 和化學(xué)吸附除磷機理，研制具有堿緩釋功能的多孔材料，一方面為水體提供微堿性環(huán)境和 充足的鈣離子，另一方面為磷酸鹽提供巨大的吸附表面，從而實現(xiàn)持續(xù)、高效的水體除磷目 標。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是依據(jù)化學(xué)吸附除磷原理，提供一種具有堿緩釋和吸附截留磷酸鹽功能的除磷材料及制備方法，同時要求材料制備工藝簡單、造價低廉、性能穩(wěn)定、除磷效果 顯著，能夠適用于市政污水和工業(yè)廢水的除磷系統(tǒng)。為滿足上述目的，本發(fā)明在分析試驗材料的供堿釋鈣的基礎(chǔ)上，結(jié)合硅酸鈣鹽的 生成轉(zhuǎn)化反應(yīng)和水化機理進行具有堿緩釋功能的多孔除磷陶粒濾料制備。具體制備步驟 是1、動態(tài)水熱合成硬硅鈣石纖維粒子。將石英粉或白炭黑(二氧化硅含量大于 98%，粒度為400目)和消石灰，按CaO和SiO2的摩爾比為0. 3 1混合攪拌均勻，按水固 比20 1 30 1配比置入動態(tài)高壓反應(yīng)釜，經(jīng)凝膠化反應(yīng)生成硬硅鈣石料漿，反應(yīng)溫度 控制在150 220°C，保溫時間在4 8小時；待其冷卻后過濾、脫水、干燥后備用。2、將普通硅酸鹽水泥、膨潤土、粉煤灰、氧化鈣、硝基纖維素和采用步驟1制備 出的硬硅鈣石纖維粒子分別磨成粒徑在100目以上粉體，并按普通硅酸鹽水泥(42.5 級)膨潤土 粉煤灰氧化鈣硝基纖維素硬硅鈣石纖維粒子造孔劑=(20 40) (10 20) (10 20) (10 15) (15 25) (14 30) (0. 1 0. 5) 的質(zhì)量百分比進行混合，按水固比為0. 35 0. 45加水攪拌。造孔劑是脫脂工業(yè)鋁粉，也可 是碳化鈣、雙氧水、漂白粉等。3、將步驟2制備的混和物置入造粒機造粒，制成粒徑為0. 5 IOmm的料球，并將 料球在40 60°C含濕空氣條件下發(fā)泡、固化，時間控制在2 4小時左右以獲得料球早期強度。4、將發(fā)泡固化后的料球在高壓蒸養(yǎng)釜中進行高溫蒸汽養(yǎng)護，蒸養(yǎng)釜溫度控制在 190 195°C，蒸汽壓力達到1. IMpa,維持2 4小時，然后排汽冷卻后出釜得到成品具有堿 緩釋功能的多孔除磷陶粒。本發(fā)明的具有堿緩釋功能的多孔除磷陶粒釋堿原理一是陶粒表面的堿性物質(zhì)的 直接溶出，二是堿性物質(zhì)被包裹阻隔后通過固液擴散方式緩慢釋放。在微堿性氛圍下，硅鈣 質(zhì)材料能夠高效吸附水中磷酸根離子，達到良好的除磷效果，同時材料本身環(huán)境友好，不產(chǎn) 生二次污染問題。在多孔除磷陶粒的制備原料中，硬硅鈣石纖維粒子具有堿緩慢釋放和較 大的比表面積的特點；普通硅酸鹽水泥和粉煤灰起到固化和阻隔的作用，并能同氧化鈣在 高溫蒸養(yǎng)條件下生成托勃莫來石；膨潤土具有較強的吸水性和膨脹性，可以在凝固的陶粒 表面形成微小孔洞，構(gòu)造出陶粒內(nèi)部與外環(huán)境的通道，有利于磷酸根粒子的內(nèi)部吸附和沉 積；硝基纖維素可以增加陶粒塑性，便于造粒，同時形成材料內(nèi)部堿釋放通道；發(fā)泡劑作用 是使陶粒形成發(fā)達的開放式孔道，增加材料比表面積。采用高溫蒸汽蒸養(yǎng)工藝可以大大縮 短產(chǎn)品生產(chǎn)時間，提高勞動生產(chǎn)效率。本發(fā)明具有堿緩釋功能的多孔除磷陶粒的有益效果是(1)除磷效果好、速度快， 出水含磷可遠低于城鎮(zhèn)污水處理廠綜合排放一級A標準中的指標值，適用于市政污水、工 業(yè)廢水的除磷系統(tǒng)；(2)吸附容量大，磷吸附容量高達100mg/g，是工業(yè)爐渣和粉煤灰材料 的幾十倍；(3)由于陶粒的堿緩釋效應(yīng)，避免了出水的pH值超標等問題；(4)生產(chǎn)工藝較簡 單，生產(chǎn)設(shè)備成熟，制備原材料來源廣泛，工程造價低廉，能夠大規(guī)模推廣應(yīng)用。
具體實施例方式下面結(jié)合實例進一步說明本發(fā)明的應(yīng)用過程。
首先采用石英粉(二氧化硅含量大于98%，粒度為400目)和消石灰，按CaO 和SiO2的摩爾比為0.98混合攪拌均勻，按水固比25 1配比置入動態(tài)高壓反應(yīng)釜凝 膠化反應(yīng)生成硬硅鈣石料漿，反應(yīng)溫度控制在200 220°C，保溫時間在6小時；待其冷 卻后過濾、脫水、干燥后備用。然后將普通硅酸鹽水泥(42. 5級)、膨潤土、粉煤灰、氧化 鈣、硝基纖維素和硬硅鈣石纖維粒子分別磨成粒徑在100目以上粉體，并按普通硅酸鹽水 泥(42. 5級)膨潤土 粉煤灰氧化鈣硝基纖維素硬硅鈣石纖維粒子造孔劑= 25 12 16 11.7 15 20 0. 3的質(zhì)量百分比進行混合，按水固比為0. 35加水攪 拌，造孔劑采用脫脂工業(yè)鋁粉，將上述混和物置入轉(zhuǎn)盤造粒機造粒，制成粒徑為3 6mm的 料球，并將料球在40 60°C含濕空氣條件下發(fā)泡、固化，時間控制在4小時左右以獲得料 球早期強度。發(fā)泡固化后，再將料球在高壓蒸養(yǎng)釜中進行高溫蒸汽養(yǎng)護，蒸養(yǎng)釜溫度控制在 190 195°C，蒸汽壓力達到1. IMpa,維持4小時，然后排汽冷卻后出釜得到成品具有堿緩釋 功能的多孔除磷陶粒。將采用上述方法制備的多孔除磷陶粒應(yīng)用于市政污水的除磷，以具體證明其除磷 應(yīng)用過程和效果在長X寬X高為1000X1000X2000毫米的濾池中裝填本發(fā)明制備的多孔除磷 陶粒，填裝高度1000mm，采用上向流方式進水，以城市污水為進水水源，進水中總磷平均濃 度為3. 83mg/L，濾池水力停留時間設(shè)置為120min，經(jīng)該濾池處理后出水中總磷平均濃度為 0. 26mg/L，總磷去除率達到93. 2 %，遠低于城鎮(zhèn)污水處理廠綜合排放一級A標準中總磷指 標 0. 5mg/L。
權(quán)利要求
一種具有堿緩釋功能的多孔除磷陶粒的制備方法，其特征在于該制備方法通過以下步驟完成(1)動態(tài)水熱合成硬硅鈣石纖維粒子。將石英粉或白炭黑(二氧化硅含量大于98％，粒度為400目)和消石灰，按CaO和SiO2的摩爾比為0.3～1混合攪拌均勻，按水固比(20∶1)～(30∶1)配比置入動態(tài)高壓反應(yīng)釜凝膠化反應(yīng)，以生成硬硅鈣石料漿，反應(yīng)溫度控制在150～220℃，保溫時間在4～8小時；待其冷卻后過濾、脫水、干燥后備用；(2)將普通硅酸鹽水泥、膨潤土、粉煤灰、氧化鈣、硝基纖維素和采用步驟(1)制備出的硬硅鈣石纖維粒子分別磨成粒徑在100目以上粉體，并按普通硅酸鹽水泥(42.5級)∶膨潤土∶粉煤灰∶氧化鈣∶硝基纖維素∶硬硅鈣石纖維粒子∶造孔劑＝(20～40)∶(10～20)∶(10～20)∶(10～15)∶(15～25)∶(14～30)∶(0.1～0.5)的質(zhì)量百分比進行混合，按水固比為0.35～0.45加水攪拌；(3)將步驟(2)制備的混和物置入造粒機造粒，制成粒徑為0.5～10mm的料球，并將料球在40～60℃含濕空氣條件下發(fā)泡、固化，時間控制在2～4小時左右以獲得料球早期強度；(4)將發(fā)泡固化后的料球在高壓蒸養(yǎng)釜中進行高溫蒸汽養(yǎng)護，蒸養(yǎng)釜溫度控制在190～195℃，蒸汽壓力達到1.1Mpa，維持2～4小時，然后排汽冷卻后出釜得到成品具有堿緩釋功能的多孔除磷陶粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有堿緩釋功能的多孔除磷陶粒的制備方法，其特征在于可 選用脫脂工業(yè)鋁粉、碳化鈣、雙氧水、漂白粉作為造孔劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有堿緩釋功能的多孔除磷陶粒的制備方法，其特征在于制 備出的陶粒為硅鈣質(zhì)，主要成份為石英粉、消石灰、硅酸鹽水泥、膨潤土、粉煤灰、氧化鈣、硝 基纖維素，陶粒上分布有大量微孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有堿緩釋功能的多孔除磷陶粒濾料，其特征在于所述石英 粉可用白炭黑來替代。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的具有堿緩釋功能的多孔除磷陶粒，其特征在于石英粉和 消石灰按CaO和SiO2的摩爾比為0. 3 1水熱合成得到硬硅鈣石纖維粒子，硬硅鈣石纖 維粒子與其它各主要成份的質(zhì)量百分比為硅酸鹽水泥膨潤土粉煤灰氧化鈣硝基 纖維素硬硅鈣石纖維粒子造孔劑=(2O 40) (10 2O) (10 2O) (10 15) (15 25) (14 30) (0. 1 0. 5)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有堿緩釋功能的多孔除磷陶粒及其制備方法，所制備的陶粒是一種用于市政污水和工業(yè)廢水高效除磷的環(huán)境材料。該陶粒的制造方法是基于水中磷元素的基本化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)吸附除磷機理，按照普通硅酸鹽水泥(42.5級)∶膨潤土∶粉煤灰∶氧化鈣∶硝基纖維素∶硬硅鈣石纖維粒子∶造孔劑＝(20～40)∶(10～20)∶(10～20)∶(10～15)∶(15～25)∶(14～30)∶(0.1～0.5)的質(zhì)量百分比進行混合，按水固比為0.35～0.45加水攪拌，經(jīng)造粒成所需粒徑，然后經(jīng)發(fā)泡固化后，再進行高溫蒸汽養(yǎng)護得到。該法制備工藝簡單，原料易得，造價低廉，在水體除磷領(lǐng)域應(yīng)用前景較為廣闊。所制陶粒具有堿緩釋、硅鈣質(zhì)、多孔的特征，能夠持續(xù)高效吸附除磷，適用于市政污水和工業(yè)廢水的除磷系統(tǒng)。
文檔編號B01J20/10GK101935195SQ20101027269
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者劉寶河, 孟冠華, 鄭俊 申請人:鄭俊;劉寶河