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CN113025829B - 一种应用双极膜电渗析处理铜矿石冶炼废渣的方法 - Google Patents

一种应用双极膜电渗析处理铜矿石冶炼废渣的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用双极膜电渗析处理铜矿石冶炼废渣的方法，将电解槽与阴阳离子交换膜、双极膜相结合，以钌铱钛板为电极组成双极膜电渗析装置，首先利用双极膜电渗析装置的产H+性能，让废渣处于强酸性环境中，使得废渣中的重金属从废渣中游离出来；然后利用固液分离装置，将废渣的固相部分和液相部分进行分离，即将废渣中的残渣和酸性重金属溶液进行分离；最后利用双极膜电渗析对分离的上清液即酸性重金属溶液中的重金属进行去除。采用本发明方法，废渣处理的总时长为90~100，所有的重金属去除率可达到90%以上，步骤C处理单元为2~5单元时，可减少能耗30%~50%，提升电流效率40%~60%，节约成本。

Description

一种应用双极膜电渗析处理铜矿石冶炼废渣的方法
技术领域
本发明涉及一种铜矿石冶炼废渣的处理技术领域，具体涉及一种应用双极膜电渗析处理铜矿石冶炼废渣的方法。
背景技术
铜具有优良的延展性和导热性，被广泛应用于电气、建筑、国防、机械制造等领域。如今，中国已成为世界第二大经济体和铜需求量最大的国家，为了满足日益增长的铜需求，需要开采铜矿来获得所需的铜。湿法冶金炼铜具有能耗和成本低、环境污染小等优点，常被用于提取低品位铜矿石中的铜(中国铜矿石储量中低品位占56％)。但是在铜矿石湿法冶金的过程中会产生大量的废渣，这些废渣成分复杂，富含大量的重金属离子和有毒有害物质，且废渣颗粒较小易形成扬尘。如果这些废渣没有经过有效的处理而直接排放，最终将对环境生态系统、生物生存及人类健康构成极大的风险。
目前，废渣的处理方式有回填与复垦、提取有价金属、制备功能化材料、生产建筑材料等，但都存在无法避免的缺点。回填与复垦可以有效的降低矿区塌陷和滑坡风险，但回填后的废渣对环境存在二次污染风险、复垦后废渣中的重金属等有害物质仍然会影响动植物、微生物的生存。提取有价金属可以有效降低废渣中重金属对生态环境的危害、可以资源化及产生经济价值，但是此法适用于富含有价金属的尾矿废渣，不具有普遍适用性。用废渣制备功能化材料可以有效提高材料的功能性、产生社会经济价值，但是尾矿废渣需求量小、利用率低。用废渣生产建筑材料可以有效的降低环境中尾矿废渣的贮存量，但是在资源化的过程中会产生大气污染。这些方法的应用存在二次污染、成本高、运行周期长、资源浪费等问题。所以，有必要研发一种绿色环保处理废渣的工艺。
电渗析(ED)法是一种膜分离技术，其利用电位差为驱动力，使污染物中的阴阳离子在电场力作用下分别通过具有选择透过性的阴阳离子膜，从而实现溶液的淡化、提纯、精制及浓缩等目的。双极膜(BPM)是一种新型的离子交换膜，其主要由阳离子交换膜层、阴离子交换膜层以及中间界面层组成，其最大的特点是在外加电场的作用下，中间界面层中的水可解离为H+和OH-，且其水解电压仅为0.828V，远小于电极水解电压2.057V。近年来，双极膜与电渗析相结合的方法(双极膜电渗析，BMED)在酸碱回收领域得到了广泛的应用，同时，随着双极膜技术的发展，BMED技术在化工行业、污染控制与能源行业等领域亦得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于设计一种节能、绿色环保、高效的应用双极膜电渗析处理铜矿石冶炼废渣的方法，实现废渣的无害化及资源化利用。
为实现本发明的目的而采用的技术方案是：将电解槽与阴阳离子交换膜、双极膜相结合，以钌铱钛板为电极组成双极膜电渗析装置，对铜矿石冶炼废渣进行处理，包括以下步骤：A废渣重金属浸出：利用双极膜电渗析装置的产H+性能，让废渣处于强酸性环境中，使得废渣中的重金属从废渣中游离出来；B残渣和溶液分离：利用固液分离装置，将废渣的固相部分(残渣)和液相部分(酸性重金属溶液)进行分离；C酸性重金属溶液(上清液)处理：利用双极膜电渗析对分离的上清液中的重金属进行去除。
本发明整体的处理装置是由三个处理单元组成的，步骤A采用的处理装置如下：电解槽为尼龙材料长方体槽状结构，电解槽的左右两端分别设置阳极与阴极，分别与直流稳压电源的正极和负极线连接，阳极与阴极之间设置有从左端的阳极端到右端的阴极端由双极膜、阳离子交换膜、双极膜组成的废渣处理单元；其左端阳极所处的空间为阳极室，右端阴极所处的空间为阴极室，阳极室右侧的双极膜和阳离子交换膜之间的空间为废渣室，废渣室右侧的阳离子交换膜和双极膜之间的空间为重金属室；步骤B的固液分离装置由水循环多功能真空泵和抽滤装置构成的；步骤C采用的处理装置如下：电解槽为尼龙材料长方体槽状结构，电解槽的左右两端分别设置阳极与阴极，分别与直流稳压电源的正极和负极线连接，阳极与阴极之间设置有从左端的阳极端到右端的阴极端由阴离子交换膜、阳离子交换膜、双极膜组成的上清液处理单元；其左端阳极所处的空间为阳极室，右端阴极所处的空间为阴极室，阳极室右侧的阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的空间为上清液室；上清液室右侧的阳离子交换膜和双极膜之间的空间为重金属室。
所述的废渣室和上清液室，均设置有电动搅拌器，通过搅拌保持废渣及上清液的均匀性。
所述的上清液处理单元为2～5单元时，从阳极端到阴极端，膜的排列由2～5组“阴离子交换膜、阳离子交换膜、双极膜”依次间隔而成。
步骤C处理的同时，对溶液中的SO4 2-以H2SO4的方式进行回收。
所述的阳极和阴极，采用的是钌铱钛板。
所述的双极膜，采用日本Astom公司BP-1E型双极膜，阴膜层朝阳极，阳膜层朝阴极。
利用本发明的BMED处理系统，具体应用过程如下：将铜矿石冶炼废渣加入步骤A处理装置的废渣室中，阳极室、重金属室、阴极室加入1～2mol/L的Na2SO4溶液，启动设置在废渣室的电动搅拌器，搅拌保持废渣液的均匀性，直流稳压电源提供恒定电流，电流密度为3.0～4.0mA/cm2，经过50～60h处理后，采用步骤B的固液分离装置将废渣液进行固液分离；将上清液加入步骤C的处理装置的上清液室中，阳极室、上清液室、阴极室中加入1～2mol/L的Na2SO4溶液，启动设置在上清液室的电动搅拌器，搅拌保持废水的均匀性，搅拌保持上清液的均匀性，直流稳压电源提供恒定电流，电流密度为2.0～3.0mA/cm2，经过40-50h的处理完成上清液中重金属的去除。
本发明应用BMED技术治理铜矿石湿法冶金产生的废渣，目的在于去除废渣中大部分重金属，从而达到废渣无害化的治理效果，处理过程的残余液可作为铜矿石湿法冶金过程的酸浸液。该BMED系统具有占地面积小、处理效率高、无二次污染等特点。
本发明具有如下有益效果：
1、处理后的废渣重金属含量大幅度减少，在经过一系列的处理后可达到无害化的标准。
2、处理后的上清液中Cu浓度低，pH值小，可作为铜矿石湿法冶金中的酸浸液使用。
3、利用双极膜理论水解离电压远低于水电解电压的特点，将多个处理单元交替串联，减少单位能耗，提升电流效率，节约成本。
附图说明
图1是本发明的BMED技术治理废渣的流程示意图。
1：电解槽；2：钌铱钛板阳极；3：双极膜；4：阳离子交换膜；5：双极膜；6：钌铱钛板阴极；Ⅰ：阳极室；Ⅱ：废渣室；Ⅲ：重金属室；Ⅳ：阴极室；7：抽滤装置；8：滤膜；9：电解槽；10：钌铱钛板阳极；11：阴离子交换膜；12：阳离子交换膜；13：双极膜；14：钌铱钛板阴极；Ⅴ：阳极室；Ⅵ:上清液室；Ⅶ：重金属室；Ⅷ：阴极室。
图2是本发明的BMED技术治理废渣过程中步骤C的多单元示意图。
AEM：阴离子交换膜；CEM：阳离子交换膜；BPM：双极膜；AC：阳极室；SFC：废渣室；HMC：重金属室；CC：阴极室。
具体实施方式
为了对本发明更好的理解，现结合附图对本发明做进一步的说明。
步骤A中，阳极2、双极膜3、阳离子交换膜4、双极膜5、阴极6从阳极端到阴极端依次间隔排列并组成废渣处理单元。
步骤B中，水循环多功能真空泵和抽滤装置构成固液分离装置。
步骤C中，阳极10、阴离子交换膜11、阳离子交换膜12、双极膜13、阴极14从阳极端到阴极端依次间隔排列并组成上清液处理单元。
实施例1
本实施例使用的实验装置结构如图1所示。
使用时，先将废渣加入如图1中A所示装置废渣室中，阳极室、重金属室、阴极室加入1mol/L的Na2SO4溶液起电解质作用，初始阴阳两极均采用钌铱钛板作为电极；采用电动搅拌器搅拌保持废渣室溶液均匀性；直流稳压电源提供恒定电流，电流密度为3.5mA/cm2，运行50h后，将重金属从废渣中分离出来。经过测定，废渣所有重金属去除率为90％以上，达到了废渣无害化的目的。
然后将A中处理完成后的废渣液加入如图1中B所示过滤装置中，然后用水循环多功能真空泵提供分离动力，控制温度为室温，防止水分蒸发。处理目标为，将废渣液分离成干废渣和上清液两个部分。干废渣经过形态测定后，发现里面的重金属含量少、为惰性态，可直接排放或者综合利用。上清液中含有大量的重金属、浓度高、呈酸性，需要进一步处理。
最后将上清液加入如图1中C所示装置的上清液室中，阳极室、上清液室、阴极室加入1mol/L的Na2SO4溶液起电解质作用，初始阴阳两极均采用钌铱钛板作为电极；采用电动搅拌器搅拌保持上清液室溶液均匀性；直流稳压电源提供恒定电流，电流密度为3.0mA/cm2，处理时间为45h。经过测定，上清液中所有重金属去除率为95％以上。处理后的上清液中所有重金属的浓度≤100mg/L，pH值≤1.0，可作为铜矿石湿法冶金中的酸浸液使用。
本实施例使用的废渣为福建某铜矿湿法冶金所产生的固体废弃物。
本实施例使用的双极膜，采用日本Astom公司BP-1E型双极膜，阴膜层朝阳极，阳膜层朝阴极。
本实施例使用的阳离子交换膜，采用美国Dupont公司NRE212型Nafion阳离子交换膜。
本实施例使用的阴离子交换膜，采用杭州埃尔环保科技有限公司IONSEP EDI阴离子交换膜。
本实施例使用的电解质Na2SO4采购于上海国药集团化学试剂有限公司，为分析纯。
本实施例使用的滤膜，孔径0.45um，采购于上海新亚净化器件厂。
本实施例使用的水循环多功能真空泵，采购于上海予捷仪器有限公司。
本实施例使用的抽滤装置，采购于江苏飞达玻璃仪器厂。
本实施例所述的阳极和阴极，采用的是30mm×80mm×3mm规格的钌铱钛板，采购于河北清河县明轩金属材料购销处。
实施例2
本实施例使用的实验装置结构如图2所示。
所述的步骤C处理单元为2～5单元时，从阳极端到阴极端，膜的排列依次为：2～5组“阴离子交换膜、阳离子交换膜、双极膜”依次间隔而成。
开始处理时，将上清液加入图2中所有的上清液室中。往所有的阳极室、上清液室、阴极室加入1mol/L的Na2SO4溶液起电解质作用，初始阴阳两极均采用钌铱钛板作为电极；采用电动搅拌器搅拌保持上清液室溶液均匀性；直流稳压电源提供恒定电流，电流密度为3.0mA/cm2，处理时间为45h。经过测定，上清液中所有重金属去除率为90％以上。每增加一组电流效率上升40％～60％，能耗下降30％～50％。处理后的上清液中所有重金属的浓度≤100mg/L，pH值≤1.0，可作为铜矿石湿法冶金中的酸浸液使用。
本实施例使用的双极膜，采用日本Astom公司BP-1E型双极膜，阴膜层朝阳极，阳膜层朝阴极。
本实施例使用的阳离子交换膜，采用美国Dupont公司NRE212型Nafion阳离子交换膜。
本实施例使用的阴离子交换膜，采用杭州埃尔环保科技有限公司IONSEP EDI阴离子交换膜。
本实施例使用的电解质Na2SO4采购于上海国药集团化学试剂有限公司，为分析纯。
本实施例所述的阳极和阴极，采用的是30mm×80mm×3mm规格的钌铱钛板，采购于河北清河县明轩金属材料购销处。

Claims (5)

1.一种应用双极膜电渗析处理铜矿石冶炼废渣的方法，其特征在于，将电解槽与阴阳离子交换膜、双极膜相结合，以钌铱钛板为电极组成双极膜电渗析装置，对铜矿石冶炼废渣进行处理，包括以下步骤：
A：利用双极膜电渗析装置的产H+性能，让废渣处于强酸性环境中，使得废渣中的重金属从废渣中游离出来；
B：利用固液分离装置，将废渣的固相部分和液相部分进行分离，即将废渣中的残渣和酸性重金属溶液进行分离；
C：利用双极膜电渗析对分离的上清液即酸性重金属溶液中的重金属进行去除；
步骤A采用的处理装置如下：电解槽为尼龙材料长方体槽状结构，电解槽的左右两端分别设置阳极与阴极，分别与直流稳压电源的正极和负极线连接，阳极与阴极之间设置有从左端的阳极端到右端的阴极端由双极膜、阳离子交换膜、双极膜组成的废渣处理单元；其左端阳极所处的空间为阳极室，右端阴极所处的空间为阴极室，阳极室右侧的双极膜和阳离子交换膜之间的空间为废渣室，废渣室右侧的阳离子交换膜和双极膜之间的空间为重金属室；
步骤B的固液分离装置由水循环多功能真空泵和抽滤装置构成的；
步骤C采用的处理装置如下：电解槽为尼龙材料长方体槽状结构，电解槽的左右两端分别设置阳极与阴极，分别与直流稳压电源的正极和负极线连接，阳极与阴极之间设置有从左端的阳极端到右端的阴极端由阴离子交换膜、阳离子交换膜、双极膜组成的上清液处理单元；其左端阳极所处的空间为阳极室，右端阴极所处的空间为阴极室，阳极室右侧的阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的空间为上清液室；上清液室右侧的阳离子交换膜和双极膜之间的空间为重金属室；
将铜矿石冶炼废渣加入步骤A的处理装置的废渣室中，在步骤A处理装置的阳极室、重金属室、阴极室中加入Na2SO4溶液，直流稳压电源提供恒定电流，电流密度为3.0~4.0 mA/cm2，经过50~60 h处理后，采用步骤B的固液分离装置将废渣液进行固液分离，将上清液加入步骤C的处理装置的上清液室中，阳极室、上清液室、阴极室中加入Na2SO4溶液，直流稳压电源提供恒定电流，电流密度为2.0~3.0 mA/cm2，经过40-50 h的处理完成上清液中重金属的去除；
所述的上清液处理单元为2~5单元时，从阳极端到阴极端，膜的排列由2~5组“阴离子交换膜、阳离子交换膜、双极膜”依次间隔而成。
2.根据权利要求1所述的一种应用双极膜电渗析处理铜矿石冶炼废渣的方法，其特征在于，所述的Na2SO4溶液的浓度为1~2 mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种应用双极膜电渗析处理铜矿石冶炼废渣的方法，其特征在于，步骤C处理的同时，对溶液中的SO4 2-以H2SO4的方式进行回收。
4.根据权利要求1所述的一种应用双极膜电渗析处理铜矿石冶炼废渣的方法，其特征在于，所述的废渣室和上清液室，均设置有电动搅拌器。
5.根据权利要求1所述的一种应用双极膜电渗析处理铜矿石冶炼废渣的方法，其特征在于，所述的双极膜，采用日本Astom公司BP-1E型双极膜，阴膜层朝阳极，阳膜层朝阴极。
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