專利名稱：一種用于處理廢水的高含碳金屬化球團及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種廢水處理濾池填料及其制備方法，特別是高含碳金屬化球團及制備方法，屬冶金制品技術領域。
背景技術：
近年來，隨著印染、化工、醫藥、造紙等行業的迅速發展，工業廢水的排放量日益增大。此類工業廢水中往往含有大量難降解的有機污染物(如硝基類、膠類、雜環類等化合物)和有害的重金屬離子(如Cr6+，Cu2+，Ni2+等)，可生化性很差，毒性大，對生態環境構成了嚴重威脅。目前，對生物有較強毒性的廢水不適宜直接用生物方法處理，而是先采用絮凝沉淀法、化學沉淀法、中和法、氧化還原法等物理化學方法作為此類工業廢水的預處理工藝，降低廢水的毒性，然后再采用生物法進一步深化處理。由于傳統的物理化學預處理方法運行費用較高，從而阻礙了這些技術在實際生產中的推廣應用。
鐵炭內電解法是近些年來發展起來的一種治理廢水的電化學方法。該方法利用鐵屑作為濾料組成濾池，廢水通過濾池時發生一系列的電化學及物理化學變化使難降解物得到處理。其工作原理是在含有酸性電解質的水溶液中，鐵和鐵屑中的碳之間形成無數個微小的原電池。作為陽極的鐵氧化成Fe2+，而重金屬及有機污染物則會在作為陰極的碳上還原。
陽極Fe→2e→Fe2+(酸性廢水或水溶液低氧化還原電位情況下)； Fe→3e→Fe3+(中性和堿性廢水或高氧化還原電位情況下)； 陰極有機難降解有機物+ne→易降解有機物。
產生的Fe2+有較強的還原能力，能使部分難降解環狀有機物環裂解，生成相對易降解的開環有機物。產生的Fe2+被氧化后成為Fe3+，在pH值＞4.0時，形成具有很強的絮凝作用的Fe(OH)3，能將廢水中懸浮固體、膠體凝聚沉淀，同時吸附大量可溶性有機污染物一起沉淀，使廢水得到進一步凈化。
上述常規鐵碳內電解工藝的主要優點有①鐵屑來源廣泛，成本低，操作簡便；②設備結構簡單，投資少，運行費用低；③收效快、效果好，可有效地提高廢水的可生化性，有利于后續處理。但是鐵碳內電解工藝尚存在一些缺點①對于高濃度、難降解有機廢水的處理效果不穩定；②運行一段時間后由于鐵屑填料表面鈍化、銹成實體，廢水處理效果明顯降低。為了解決鐵屑表面鈍化和銹結問題，采用流化床方式處理廢水。鼓入空氣除提供反應所需的氧氣外，還起到不斷沖洗鐵屑表面的作用，使鐵屑表面不斷更新，不易失去活性；同時，鼓入的空氣使絮凝床(填料)不斷受沖擊，既保證了氣-液-固三相的充分接觸，又有利于防止鐵屑板結。然而，由于鐵屑與碳粒、焦炭和粉煤灰比重相差大(約5～8倍)，流化條件難以確定和控制，另外，為確保流態化，廢水需要不斷循環，因而動力消耗大，并出現鐵碳流失。
專利“催化鐵內電解處理難降解廢水的方法”(申請號02111901.5)，是在內電解法的基礎上發展起來的，鐵作為原電池的陽極，銅代替碳成為原電池的陰極。該方法拉大了兩極間的電位差，有利于提高廢水中難降解污染物的去除率。眾所周知，銅的價格昂貴，必然會導致廢水處理成本提高。另外銅刨花與鐵屑的接觸面積小，銅或鐵表面氧化后其界面電阻增加，會降低原電池反應過程中電子的傳遞速率，從而降低污染物的降解速率。
綜上所述，現有各方法雖然在解決鐵碳內電解處理廢水方面取得了一定的進展，但是沒能徹底解決鐵屑表面隨著處理時間的延長而鈍化、銹結及效率下降的問題。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種活性高、穩定性強、效率好的用于處理廢水的高含碳金屬化球團及制備方法。
本發明所稱問題是由以下技術方案解決的 一種用于處理廢水的高含碳金屬化球團，其特別之處是所述球團的構成包括單質鐵、活性炭及少量雜質，其中單質鐵粒徑小于0.2mm，活性炭為孔道結構，其比表面積達500～800m2/g。
上述用于處理廢水的高含碳金屬化球團及制備方法，它由下述步驟組成 a.原料混配按照重量百分數選取含碳物料20～50％；含鐵原料40～70％；粘結劑10～40％，混配均勻； b.粉碎將上述原料粉碎至粒度小于100目； c.造球粉碎的原料在圓盤造球機中加水造球，球體直徑控制在2～10mm； d.干燥將上述球團自然干燥或放入干燥箱中干燥； e.還原將干燥后的球團置于高溫爐內，在800～1300℃，經1.5～3小時還原，冷卻后即制成高含碳金屬化球團。
上述用于處理廢水的高含碳金屬化球團及制備方法，所述含碳物料為煙煤、無煙煤、木屑、谷殼等物質中一種或幾種組合，所述含鐵原料為鐵精礦粉、富礦粉、軋鋼氧化鐵皮、鋼渣等物質中一種或幾種組合，所述粘結劑為淀粉、膨潤土、粘土等物質中一種或幾種組合。
上述用于處理廢水的高含碳金屬化球團及制備方法，所述還原步驟是在還原性氣氛、中性或弱氧化性氣氛下進行。
本發明產品作為一種處理廢水的新材料在廢水處理中具有下述優點 1.由于具有豐富的孔道結構和巨大的比表面，活性炭對廢水中污染物具有很強的吸附能力，高含碳金屬化球團中的鐵粉同樣有很高的比表面積，并且具有很高的反應活性，能有效還原廢水中的重金屬離子和有機污染物；2.鐵粉與活性炭分布均勻，接觸點多且緊密，在廢水中鐵-碳組成巨大的微電池群組，在微電解過程中，電子轉移阻力小、效率高，因而降解水體中的各種污染物的速率也高；3.由于活性炭對污染物的吸附作用，使得污染物在微電池表面富集，加快了傳質速率；4.在鐵-碳組成的原電池反應中，污染物在電池表面被還原而消耗，有利于降低污染物在電池表面的濃度，使活性炭始終保持良好的吸附能力；5.由于高含碳金屬化球團是多孔物質，體積密度小，只有3.5～5.8g/cm3，滲透性好，易流化，不板結；6.當高含碳金屬化球團的鐵消耗完以后，殘渣與污泥回收經過高溫還原再生后可重復使用，不會產生二次污染。試驗表明，本發明產品，在廢水處理的具體應用中，可比常規內電解工藝所用填料在同等時間下COD去除率提高50％以上。對于難生物降解物質經過高碳金屬化球團處理后，廢水中的有機環狀大分子鍵被打斷生成易降解的直鏈狀小分子物質。本發明產品還能夠處理濃度變化大、pH值范圍廣的廢水。
具體實施例方式 本發明產品是一種用于內電解工藝的活性高、穩定性強、效率好的多孔球形填料。所述產品由一定配比的含碳物料、含鐵原料和粘結劑經粉碎制球、還原等步驟制成。對含鐵原料的要求不高，可以是鐵精礦粉、富礦粉、軋鋼氧化鐵皮、鋼渣等，但要求含鐵原料在800～1300℃下易于被碳還原成金屬鐵。含碳物料可從煙煤、無煙煤、木屑、谷殼等物質中一種或幾種組合中選取，粘結劑為淀粉、膨潤土、粘土等物質中一種或幾種組合。
上述原料經制球后在高溫還原過程中，含碳物料經過高溫干餾炭化，并且碳在高溫下與含鐵物料發生下列化學反應 3C+2Fe2O3→4Fe+3CO2 反應生成的CO2又與碳發生氣化反應 C+CO2→2CO 化學反應的結果一方面是將鐵從其氧化物中還原成單質鐵，另一方面是使炭得到了活化，成為具有豐富的孔道結構和巨大比表面積活性炭。
所制備的高含碳金屬化球團具有如下理化性質1.主要化學成分為C、Fe及SiO2、Al2O3等氧化物；2.C主要以活性炭形式存在，具有豐富的孔道結構和巨大的比表面，活性高；3.Fe主要以單質形式存在，粒度為小于0.2mm。由于是新還原Fe，并且粒度小，因而具有很高的還原活性；4.鐵粉與活性炭分布均勻，接觸點多且緊密。上述理化特性賦予了本產品良好的除污效果。表1中給出本發明產品與海綿鐵、鐵屑、鑄鐵屑等填料降解焦化廢水的對比試驗數據。(焦化廢水是煉焦過程中產生的難以處理的廢水，其特點是成分復雜、毒性大、濃度高，其中有機物以酚類化合物為主，約占有機污染物的一半，有機物中還包括多環芳香族化合物和含氮、氧的雜環化合物等，無機污染物以氰化物、硫化物、硫氰化物為主。) 表1降解焦化廢水效果對比表
以下給出本發明制備方法的幾個具體實施例 實施例1 按照重量百分數稱取原料鐵精礦粉60％，煤粉30％，膨潤土10％；各原料混配均勻后粉碎成粒度100目粉狀；將粉碎的原料在圓盤造球機中加水造球，球的直徑控制在2～10mm；球團放入干燥箱中干燥；干燥后的球團在1050℃下進行還原2小時，自然冷卻。
實施例2 按照重量百分數稱取原料鐵精礦粉、富礦粉共40％，煤粉、木屑共50％、淀粉和粘土共10％；各原料混配均勻后粉碎成粒度100目粉狀；將粉碎的原料在圓盤造球機中加水造球，球的直徑控制在2～10mm；球團自然干燥；干燥后的球團在1200℃下進行還原1.5小時，自然冷卻。
實施例3 按照重量百分數稱取原料軋鋼氧化鐵皮70％，無煙煤、谷殼共20％、膨潤土、淀粉共10％；各原料混配均勻后粉碎成粒度100目粉狀；將粉碎的原料在圓盤造球機中加水造球，球的直徑控制在2～10mm；球團放入干燥箱中干燥；干燥后的球團在800℃下進行還原3小時，自然冷卻。
實施例4 按照重量百分數稱取原料富礦粉、鋼渣共40％，煤粉、木屑、谷殼共20％，膨潤土和粘土共40％；各原料混配均勻后粉碎成粒度100目粉狀；將粉碎的原料在圓盤造球機中加水造球，球的直徑控制在2～10mm；球團放入干燥箱中干燥；干燥后的球團在1000℃下進行還原2小時，自然冷卻。
實施例5 按照重量百分數稱取原料鐵精礦粉50％、煤粉20％、淀粉和膨潤土共30％；各原料混配均勻后粉碎成粒度100目粉狀；將粉碎的原料在圓盤造球機中加水造球，球的直徑控制在2～10mm；球團放入干燥箱中干燥；干燥后的球團在900℃下進行還原2.5小時，自然冷卻。
權利要求
1.一種用于處理廢水的高含碳金屬化球團，其特征在于所述球團的構成包括單質鐵、活性炭及少量雜質，其中單質鐵粒徑小于0.2mm，活性炭為孔道結構，其比表面積為500～800m2/g。
2.根據權利要求1所述的用于處理廢水的高含碳金屬化球團及制備方法，其特征在于，它由下述步驟組成
a.原料混配按照重量百分數選取含碳物料20～50％；含鐵原料40～70％；粘結劑10～40％，混配均勻；
b.粉碎將上述原料粉碎至粒度小于100目；
c.造球粉碎的原料在圓盤造球機中加水造球，球體直徑控制在2～10mm；
d.干燥將上述球團自然干燥或放入干燥箱中干燥；
e.還原將干燥后的球團置于高溫爐內，在800～1300℃，經1.5～3小時還原，冷卻后即制成高含碳金屬化球團。
3.根據權利要求2所述的用于處理廢水的高含碳金屬化球團及制備方法，其特征在于，所述含碳物料為煙煤、無煙煤、木屑、谷殼等物質中一種或幾種組合，所述含鐵原料為鐵精礦粉、富礦粉、軋鋼氧化鐵皮、鋼渣等物質中一種或兒種組合，所述粘結劑為淀粉、膨潤土、粘土等物質中一種或幾種組合。
4.根據權利要求2或3所述的用于處理廢水的高含碳金屬化球團及制備方法，其特征在于，所述還原步驟是在還原性氣氛、中性或弱氧化性氣氛下進行。
全文摘要
一種用于處理廢水的高含碳金屬化球團及制備方法，屬冶金制品技術領域，用于解決鐵炭內電解法濾料易產生表面鈍化影響廢水處理效果問題，特別之處是所述高含碳金屬化球團的構成包括單質鐵、活性炭及少量雜質，其中單質鐵粒徑小于0.2mm，活性炭為孔道結構，其比表面積達500～800m2/g。本發明方法經原料混配、造球、干燥、還原等步驟組成。試驗表明，本發明產品具有豐富的孔道結構和巨大的比表面，對廢水中污染物具有很強的吸附能力，且具有很高的反應活性，滲透性好，易流化，不板結。比常規內電解工藝所用填料在同等時間下COD去除率提高50％以上。并能夠處理濃度變化大、pH值范圍廣的廢水。
文檔編號C02F1/46GK101200320SQ200710185308
公開日2008年6月18日 申請日期2007年11月28日 優先權日2007年11月28日
發明者蔣武鋒, 郝素菊 申請人:河北理工大學