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1、固体废弃物的处理与处置Treatment & Disposal of Solid Wastes 环境工程系杨治广Tel:150937573222011、92011、12,第四章 固体废物的物化处理,第一节 溶剂浸出 第二节 固体废物的稳定化/固化处理,第一节 溶剂浸出溶剂浸出是指用适当的溶剂与废物作用使物料中有关的组分有选择性地溶解的物理化学过程。浸出主要用于处理成分复杂有价成分含量低的矿业固体废物、化工和冶金过程的废弃物。浸出的目的是要使物料中有用或者有害成分能选择性地最大限度地从固相转入液相。,浸出动力学过程浸出过程大致分为以下几个阶段：1.外扩散-即溶剂分子向颗粒表面和孔隙扩散。2.化学
2、反应-即溶剂达到反应带之后与颗粒中某些组分发生反应生成可溶性化合物。3.解吸-即可溶性化合物在颗粒表面解吸，其中包括颗粒内部孔隙的可溶性化合物的解吸。4-反扩散-即可溶性化合物在固体表面解吸之后，向液相扩散。浸出就是物料中的目的组分不断进入液相，最后进行固液分离，使目的组分全部或大部分转入液相，再从液相中回收利用。,溶剂的选择是浸出工艺的关键环节，选择的溶剂一般要有如下几个特点：1.对目的组分选择性要好；2.浸出率高，速率快；3.成本低，容易制取，便于回收和循环使用；4.对设备腐蚀性小。,浸出过程的化学反应机理根据物料和溶剂的相互作用特性，溶解过程可分为物理溶解过程和化学溶解过程。物理溶解过程
3、是指溶质在溶剂作用下仅发生晶格的破坏，其离子或原子之间的化学键的破坏是一种可逆的过程，溶质也可以从溶剂中再结晶出来，过程消耗的能量等于晶格能。化学溶解过程是指溶剂与物料的有关组分之间发生化学反应生成可溶性的化合物，这些化合物再进入液相的过程。这种化学作用主要是交换反应、氧化还原反应、络合反应等，是一种不可逆过程。,浸出的后续作业是浸出溶液的净化，常用的净化方法有：化学沉淀法，置换法，有机溶剂萃取法和离子交换法等。,交换反应是物料中的金属氧化物、硫化物与酸、碱、可溶性盐作用，生成可溶性的盐类的过程。例如：CuO + H2SO4 CuSO4 + H2OGeO2 + 2NaOH Na2GeO3 +
4、H2OCu + Fe2(SO4)3 CuSO4 + 2FeSO4 + S,氧化还原反应是物料组成与溶液之间发生氧化还原反应，生成可溶性化合物的过程。例如：Cu + H2SO4 + 1/2O2 CuSO4 + H2O,络合反应是物料组分与溶剂发生络合反应，生成可溶性络合物的过程。例如：2Cu + O2 + nNH3 2CuOnNH3Cu + Cu(NH3)4 CO3 Cu2(NH3)4CO3,浸出过程就是目的组分被提取和分离的过程。浸出过程所用的药剂称为浸出剂，浸出后所含目的组分的溶液称为浸出液，剩余残渣称为浸出渣。几种典型的浸出反应按照浸出药剂种类的不同，浸出可分为酸浸、碱浸、中性浸出等。,中
5、性溶剂浸出浸出剂：水和盐，如NaCl、高价铁盐、次氯酸钠等溶液。如含金废渣的NaCN溶液浸出：2Au + 4NaCN + H2O + 1/2O2 2NaAu(CN)2 + 2NaOH,酸性溶剂浸出浸出剂：硫酸，盐酸，硝酸，王水等。例如有色金属冶炼过程产出的镍渣、锰渣、钴渣等可进行还原酸浸浸出：MnO2 + 2Fe2+ + 4H+ Mn2+ + 2Fe3+ +2H2O 2Co(OH)3 + SO2 + 2H+ 2Co2+ + SO42- + 4H2O2Ni(OH)3 + SO2 + 2H+ 2Ni2+ + SO42- + 4H2O,碱性溶剂浸出浸出剂：碳酸铵、氨水、碳酸钠、硫化钠等。如用碳酸钠浸
6、出经焙烧过的钨矿：CaWO4 + Na2CO3 + SiO2 Na2WO4 + CaSiO3 + CO2 铜、镍、钴等固体废物可用氨浸：CuO + 2NH4OH + (NH4)2CO3 Cu(NH3)4CO3 + 3H2O,影响浸出过程的主要因素：1、物料粒度及特性2、浸出温度3、浸出压力4、搅拌速度5、浸出溶剂浓度及固液比等,从浸出液中提取或分离目的组分的方法：1、离子沉淀2、置换沉淀3、电沉淀4、离子交换5、溶剂萃取等,浸出工艺：1、渗滤浸出：浸出剂溶液通过物料层实现的。有就地浸出、堆浸和槽浸三种方法。设备：渗滤浸出槽。2、搅拌浸出：用机械或空气对物料和浸出液进行搅拌，有常压和高压两种。设
7、备：机械搅拌浸出槽、空气搅拌浸出槽、流态化逆流浸出塔和高压釜等,第二节 固体废物稳定化/固化处理,概述 水泥固化 沥青固化 塑料固化 玻璃固化 其他固化方法,4.2 概述,药剂稳定化处理固化的概念 固化的机理 固化剂 固化效果的评价,药剂稳定化是利用化学药剂通过化学反应使有毒有害物质转变为低溶解性、低迁移性及低毒性物质的过程。主要的有毒有害物质是Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn等重金属，As、S、F等非金属，放射性元素，含氯有机物、硫醇、酚类、氰化物等。稳定化处理技术主要有：重金属的化学稳定化技术和有机污染物的氧化解毒技术。,重金属离子的稳定化技术化学方法：中和法、氧化还原法、溶出法、化学沉
8、淀法物理化学方法：吸附和离子交换法,中和法对酸性泥渣常用石灰石、石灰、氢氧化钠或碳酸氢钠等中和对碱性泥渣常用硫酸或盐酸中和氧化还原法通过价态的变化将有毒有害物质转化为无毒或低毒的化学性质稳定的组分。如Cr6+、Hg2+、As5+具有毒性，而Cr3+、Hg+、As3+等则无毒或低毒。常用的还原剂有：硫酸亚铁、硫代硫酸钠、亚硫酸氢钠等。,化学沉淀法含有重金属的污染物废物通过加入化学试剂，形成难溶的沉淀物的方法。氢氧化物沉淀、硫化物沉淀、硅酸盐沉淀、碳酸盐沉淀、铁氧体沉淀、螯合物沉淀等。,有机污染物的氧化解毒处理臭氧氧化解毒：利用臭氧的强氧化性解毒。例如NaCN + O3 NaCNO + O2过氧化
9、氢氧化解毒：CH2Cl2 + 2H2O2 CO2 + 2H2O + 2HCl氯氧化解毒：次氯酸解毒或和氯气混合解毒：CN- + ClO- CNO- + Cl-2NaCNO + 3Cl2 + 4NaOH N2 + 2CO2 + 6NaCl + 2H2O,固化,指用物理化学方法将有害废物掺合并包容在密实的惰性基材中，使其达到稳定化的一种过程。有害废物经固化处理后，其渗透性和溶出性均可降低，所得固化块能安全地运输和方便地进行堆存或填埋，对稳定性和强度适宜的产品还可以作为筑路的基材。,固化的机理,固化有两种方式，其机理也不尽相同：将有害废物通过化学转变或引入到某种晶格中达到稳定化。将有害废物用惰性材料
10、加以包容使之与环境隔离。 根据上述基本原理，固化处理方法可划分为四类：包胶固化（又称凝结固化）按固化剂：a.水泥固化；b.沥青固化；c.石灰固化；c.塑料固化按包胶结构：a.宏观包胶：将有害废物包裹在包胶体内，使其与 环境隔离。 b.微囊包胶：用包胶材料包覆废物的微粒。自胶结固化：适用于含有大量能称为胶凝剂的废物，（如：排烟脱硫 石膏）玻璃固化： 将污泥与玻璃原料一起烧制成玻璃。水玻璃固化：利用水玻璃加酸后的硬化等性能将有害废物结合，包容及吸附而固化。,固化剂(Solidifying agent),固化常用的惰性材料： 水泥、沥青、塑料、石灰（凝结固化） 硅酸钠（水玻璃）、粘土（玻璃化固化）,
11、固化效果的评价,浸出速率 (leaching rate) 增容比 (Enlargement ratio),a.浸出速率(leaching rate),定义指固化体内的有害物质在水或溶液中的浸出速度。表达式式中：mn浸出时间内出的有害物质的量，mg； m0样品中含有的有害物质的量，mg Ae样品的表面积，cm2； V样品的体积， cm3 ； t浸出时间，d;,b.增容比(Enlargement ratio),定义指固化体体积与被固化有害废物体积的比值。表达式式中：V2固化体体积，m3；V1固化前有害废物的体积，m3；Ci增容比，也是应越低越好。,4.2 水泥固化,原理 水泥与添加剂 水泥固化法的
12、应用 水泥固化法的特点,4.2.1 原理,概念：以水泥为固化剂将有害废物进行固化的一种处理方法。 原理：水泥是一种无机胶凝材料，是以水化反应的形式凝固并逐步硬化的，包括两种作用：凝胶包容(Gel encapsulation)：水泥与污泥中的水发生水化反应，生成的凝胶将污泥中的固态物质包容（污泥中的固态物称为水化物的骨料从而被水泥凝胶包容）。离子沉淀(ionic precipitation)：水泥是一种碱性物质，污泥中的重金属离子与水泥中的OH反应生成难溶于水的沉淀（重金属离子以其稳定的化合物形式存在与水泥制品中）。,4.2.2 水泥与添加剂,水泥(cement) 添加剂(additive),（
13、1）水泥,水泥的种类硅酸盐水泥：以石灰、粘土为主要原料的水泥（又叫波特兰水泥）；矿渣水泥：加入了一定量的高炉水淬渣（火山灰质）。粉煤灰水泥：加入了一定量的粉煤灰（火山灰质）。高铝水泥：加入了一定量的高铝原料，如铝土。用于固化处理的水泥主要有：硅酸盐水泥：适用于腐蚀性不强的污泥（因硅酸盐水泥易于和污泥中的油类， 有机酸，金属氧化物反应损害凝结硬化过程）。矿渣水泥： 具有抗硫酸盐和抗化学腐蚀性。粉煤灰水泥：抗硫酸盐。,（2）添加剂,作用改善固化条件（如早强剂），提高固化体的质量（如减水剂）。添加剂种类吸附剂（活性氧化铝等）：吸附污泥中的有害组分。缓凝剂（柠檬酸等）：获得一定的操作时间。促凝剂（水玻
14、璃等）：提高早期强度。减水剂（Na2SO4等）：降低水灰比，提高强度。,4.2.3 水泥固化法的应用,电镀干污泥的水泥固化 含水率为75的污泥 一般工艺流程,（1）电镀干污泥的水泥固化,干污泥 水泥 水（12） 20 （610）强度可达：1020Mpa浸出浓度：Hg0.0002 mg/L Cd0.02 mg/L Pb0.002 mg/L Cr6+0.02 mg/L As0.01 mg/L,（2）高含水率污泥的固化,污泥含水率为75%污泥 水泥 添加剂 水60 30 10 20其中：添加剂是液态或粉末状的无机试剂，有时加砾 石和砂子。,（3）工艺流程,水泥固化的工艺流程见图4-1。,图4-1 水泥固化的工艺流程,4.2.4 水泥固化法的特点,优点：有效；简单（工艺和设备及操作）；费用低。缺点浸出率高（空隙率高所至）；增容比高（1.52）；有时需预处理（当含腐蚀性物质时），增加费用；铵离子易溢出（碱性反应）；不适合于化学泥渣（胶状物、排料困难，但可采用加锯末解决）。,4.3 沥青(asphalt)固化,概述 基本方法主要影响因素,4.3.1 概述,概念将污泥与沥青混合，通过加热、蒸发实现固化的方法沥青的性质具有粘结性、化学稳定性，弹性，塑性；具有对大多数酸、碱、盐的耐腐蚀性和一定的抗辐射性。应用范围中、低放射性蒸发残液；化学法处理废水的沉渣；焚烧灰分。,
