探究用焚燒垃圾廢鐵制取聚合硫酸鐵的可行性

城市垃圾焚燒可較大程度減少垃圾體積，節(jié)省填埋土地，焚燒產(chǎn)生的熱能可用于發(fā)電，因此垃圾焚燒已成為城市垃圾處理的發(fā)展趨勢(shì)。垃圾焚燒后產(chǎn)生約10%的灰渣，灰渣中除含有熔渣、玻璃、磚塊、陶瓷外，還含有大量鐵、鋁、銅等金屬，其中鐵較多，約占爐渣質(zhì)量的5%～8%，是寶貴的二次鐵資源。處理焚燒灰渣、回收其中的金屬資源有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在我國，垃圾焚燒灰渣采用磁選法回收金屬鐵，鐵回收率達(dá)98%左右?；厥盏蔫F作為煉鋼原料，附加值不高，對(duì)鋼鐵品質(zhì)也有影響，急需尋找新的回收方法。

垃圾焚燒爐渣中的鐵可作為制備鐵絮凝劑的原料。鐵絮凝劑有聚磷酸鐵(PFP)、聚合硫酸鐵(聚合硫酸鐵（聚鐵）)、聚合氯化鐵(PFC)等，目前國內(nèi)外普遍用于處理廢水。聚合硫酸鐵（聚鐵）具有除臭、破乳及污泥脫水等功能，對(duì)浮游微生物也有較好的去除作用。聚合硫酸鐵（聚鐵）處理含油污水的效果遠(yuǎn)比硫酸亞鐵顯著，且對(duì)金屬設(shè)備的腐蝕性較小，為此，研究用焚燒垃圾廢鐵制取聚合硫酸鐵，不僅可提升廢鐵的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對(duì)于環(huán)境工程也具有重要意義。

1試驗(yàn)部分

1.1廢鐵的特征分析

垃圾焚燒爐渣中的廢鐵由上海寰保渣業(yè)處置有限公司提供。這些廢鐵的銹蝕度非常高，同時(shí)夾帶大量爐渣。首先清洗粘附廢鐵的爐渣，然后對(duì)廢鐵烘干和球磨。球磨在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行，球磨轉(zhuǎn)速為500r/min，球料質(zhì)量比為4:1，球磨時(shí)間90min，得到有一定光亮度的鐵和鐵氧化物粉末，過200目篩后稱重分析。結(jié)果表明，氧化鐵粉末占廢鐵總質(zhì)量的31%。對(duì)氧化鐵粉末進(jìn)行XRF成分分析，對(duì)氧化鐵粉末和清洗的爐渣進(jìn)行XRD物相組成分析，結(jié)果見表1和圖1。

1.2聚合硫酸鐵制備

用硫酸浸出爐渣，其中的大部分鈣、鎂和重金屬雜質(zhì)形成沉淀，鋁生成硫酸鋁。硫酸鋁的存在因?yàn)閰f(xié)同效應(yīng)對(duì)絮凝效果有增強(qiáng)作用。

酸溶浸出：氧化鐵粉末經(jīng)過真空干燥后加入盛有一定濃度硫酸的三頸瓶中，硫酸用量為理論用量的1.1倍，即n(H2S04)：n(Fe203)=3.34：1。將三頸燒瓶置于放有玻璃水槽的磁力攪拌器上，用油浴恒溫一定時(shí)間后趁熱過濾，得到硫酸鐵溶液。

溶液中鐵濃度用分光光度法測(cè)定。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1單因素條件試驗(yàn)

2.1.1硫酸濃度對(duì)鐵浸出率的影響

攪拌速度300r/min，反應(yīng)溫度90℃，反應(yīng)時(shí)間2h，硫酸濃度對(duì)鐵浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2看出，鐵浸出率隨硫酸濃度增大而升高，但增幅并不大。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硫酸濃度為9.17mol／L時(shí)，反應(yīng)物混勻加熱后，溶液很快變成糊狀，繼而粘連成網(wǎng)狀，致使反應(yīng)無法繼續(xù)進(jìn)行。綜合考慮聚合硫酸鐵（聚鐵）制備對(duì)溶液鐵濃度和pH的要求，確定用5.32mol／L硫酸浸出爐渣，硫酸用量為理論用量的1.1倍。

2.1.2反應(yīng)時(shí)間對(duì)鐵浸出率的影響

攪拌速度300r/min，反應(yīng)溫度90℃，硫酸濃5.32mol／L，反應(yīng)時(shí)間對(duì)鐵浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯弘S反應(yīng)時(shí)間延長，鐵浸出率增大；反應(yīng)3h后，鐵浸出率達(dá)68.74%；之后再繼續(xù)反應(yīng)，鐵浸出率增長緩慢。

浸出過程中，因?yàn)檠趸F粉末和硫酸被大量消耗，反應(yīng)物硫酸濃度迅速降低，所以隨反應(yīng)的進(jìn)行反應(yīng)速度逐漸降低。

2.1.3攪拌速度對(duì)鐵浸出率的影響

反應(yīng)溫度90℃，反應(yīng)時(shí)間2h，硫酸濃度5.32mol／L，攪拌速度對(duì)鐵浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4看出：隨攪拌速度增大，鐵浸出率提高很快；攪拌速度為300r／min時(shí)，鐵浸出率達(dá)58.34%；攪拌速度高于300r／min后鐵浸出率變化不大。所以，攪拌速度控制在300r／min即可。2.1.4反應(yīng)溫度對(duì)鐵浸出率的影響

攪拌速度300r/min，反應(yīng)時(shí)間2h，硫酸濃度取5.32mol／L，反應(yīng)溫度對(duì)鐵浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5看出：在一定溫度范圍內(nèi)，鐵浸出率隨反應(yīng)溫度升高幾乎線性升高；但溫度達(dá)到100℃時(shí)，鐵浸出率也只有63.12%。較高的溫度對(duì)浸出設(shè)備的要求大大提高，并且能耗也大大增加，因此反應(yīng)溫度不宜過高，以90℃左右為宜。

2.2浸出條件的優(yōu)化

根據(jù)單因素條件試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)反應(yīng)時(shí)間、攪拌速度、硫酸濃度、反應(yīng)溫度，采用L(3×4)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

根據(jù)表2可知，溫度是鐵浸出率的較大影響因素，其次是時(shí)間，攪拌速度和硫酸濃度的影響相對(duì)較小?？紤]到高溫浸出對(duì)設(shè)備和能源的額外要求，取反應(yīng)溫度為95℃，在反應(yīng)時(shí)間5h、攪拌速度400r/min、硫酸濃度5.32mol／L條件下，鐵浸出率達(dá)81.72%。

2.3聚合硫酸鐵(聚合硫酸鐵（聚鐵）)制備

聚合硫酸鐵的制備主要包括氧化、水解和聚合反應(yīng)步驟。不同方法的主要區(qū)別在于氧化方式不同，水解和聚合過程都可以用如下方程式表示：

影響聚合硫酸鐵（聚鐵）絮凝效果的較重要的一個(gè)因素就是鹽基度(B)，用硫酸鐵溶液水解聚合制備聚合硫酸鐵（聚鐵），其鹽基度主要與硫酸鐵溶液中Fe(Ⅱ)濃度有關(guān)，其濃度越高鹽基度越大。

用上述硫酸浸出液制備液體聚合硫酸鐵（聚鐵），聚合硫酸鐵（聚鐵）鹽基度(B)為6.5，達(dá)不到較低8.0的要求。為了得到足夠鹽基度的聚合硫酸鐵，需要在浸出液中加入一定量Fe(Ⅱ)。試驗(yàn)采用固體碳在高溫下還原氧化鐵粉，并將其硫酸浸出液與上述浸出液混合，混合浸出液經(jīng)氧化、聚合制備聚合硫酸鐵（聚鐵）。

氧化鐵粉在800℃高溫下與不同質(zhì)量固體碳混合反應(yīng)還原1h，然后用硫酸浸出，浸出條件為上述優(yōu)化條件。所得浸出液中Fe(Ⅱ)占溶液中總鐵的比例和鐵浸出率如圖6所示。

由圖6看出：鐵浸出率和Fe(Ⅱ)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨固體碳加入量增加而增大；固體碳加入量為10%之后，浸出液中亞鐵占總鐵的91.95%，之后繼續(xù)增加固體碳加入量，F(xiàn)e(Ⅱ)質(zhì)量分?jǐn)?shù)及鐵轉(zhuǎn)化率變化不大。因此，固體碳按10%加入。

將原浸出液與10%固體碳還原后的浸出液按一定體積比混合，混合液經(jīng)氧化聚合后測(cè)鹽基度，結(jié)果如圖7所示。

由圖7看出：隨亞鐵浸出液比例增加，所得聚合硫酸鐵（聚鐵）鹽基度增大；混入10%的亞鐵浸出液制得的聚合硫酸鐵（聚鐵）鹽基度達(dá)到8.4。聚合硫酸鐵（聚鐵）鹽基度需要保持在一定范圍內(nèi)，太低產(chǎn)品絮凝效果不好，太高會(huì)降低產(chǎn)品穩(wěn)定性，易析出鐵的羥基化合物，因此，亞鐵浸出液的比例只需保證在10%～20%之間即可。

3結(jié)論

用硫酸浸出垃圾焚燒渣中的鐵是可行的。影響鐵浸出率的較重要因素是反應(yīng)溫度，溫度為95℃時(shí)，鐵浸出率能達(dá)到81.72%。此浸出液直接制備聚合硫酸鐵，產(chǎn)品鹽基度太低。將部分氧化鐵粉以固體碳還原預(yù)處理，再經(jīng)酸浸后所得浸出液與原浸出液混合可制得鹽基度符合要求的聚合硫酸鐵（聚鐵）。

此法制取的聚合硫酸鐵（聚鐵）質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備要求不高，可控性好，在工藝上是可行的。

本研究為垃圾焚燒爐渣中的廢鐵提供了一條新的利用途徑，有良好的社會(huì)效益和環(huán)境效益。