酸性矿排水的处理工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种处理酸性矿排水的工艺(AMD)。该工艺包括以下步骤：将AMD的pH调节至在3至5的范围内；添加磁赤铁矿纳米颗粒以形成浆料；和a)对在步骤3)中获得的浆料充气，或；b)同时加热和混合在步骤3)中获得的浆料。之后从浆料分离负载有一种或多种金属和硫酸根和沉淀的金属的磁赤铁矿纳米颗粒。淀的金属的磁赤铁矿纳米颗粒。淀的金属的磁赤铁矿纳米颗粒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】酸性矿排水的处理工艺

技术介绍

[0001]本专利技术涉及一种酸性矿排水(排泄酸性矿水，acid mine drainage)的处理工艺。
[0002]酸性矿排水(AMD)带来严重的环境和健康问题，因此寻找最佳处理选项是全球关注。AMD产生的主要来源之一是黄铁矿(FeS2)和其他带有铁的硫化物矿石在暴露于含氧水和微细菌时的氧化[1
–
5]。FeS2在空气和水的存在下的氧化总反应可概括为以下的反应(1)。但是，被认为是较快反应的FeS2在三价铁化合物(ferric)、空气和水的存在下的完全氧化，由以下的反应(2)表示[2]。
[0003]FeS2+15/2O2+7/2H2O
→
Fe(OH)3+2SO
42
‑
+4H
+
ꢀꢀ
(1)
[0004]FeS2+14Fe
3+
+8H2O
→
15Fe
2+
+2SO
42
‑
+16H
+
ꢀꢀ
(2)
[0005]由于其高酸度，AMD加速了几种有毒金属从含有不同矿物质的岩石的溶解[6]。总体而言，AMD的特征是低pH、高金属和硫酸根(盐)浓度，并且通常不仅为腐蚀性的而且为极毒性的[7,8]。有几种处理选项，其中使用碱性工业化学品例如氢氧化钙和石灰岩进行的中和因通过金属氢氧化物沉淀和作为石膏(其为AMD中的污泥生成剂的骨架)的硫酸盐除去金属而更为普遍[9
–
11]。然而，由于金属和硫酸盐同时以大的污泥体积一起沉淀，从污泥收取金属氢氧化物或硫酸盐不具有成本效益[12]。所产生的污泥通常被丢弃在垃圾填埋场中并且形成巨大的尾矿(残渣，tailing)，这也是由于金属从尾矿浸出而造成环境污染问题的成因。有几项研究关于有毒金属和酸度对人类健康、环境和地下水品质的影响予以阐述[13
–
16]。因此，需要具有成本效益的AMD处理技术，其中有价值资源的收取和再利用是可能的。
[0006]现有的AMD处理方法没有达到预期的修复选项，没有最佳的处理选项可用，因为AMD类型随金属和硫酸根(盐)浓度的广泛差异而存在差异[4,17]。因此，当务之急是寻找不同的具有成本效益的处理选项。
[0007]相应地，本专利技术的一个目的是提供一种使用磁赤铁矿纳米颗粒处理酸性矿排水的替代方法，其将至少部分地减轻以上缺点。

技术实现思路

[0008]根据本专利技术，提供了一种处理酸性矿排水(AMD)的工艺，酸性矿排水(AMD)典型地包含硫酸根和一种或多种金属离子(例如铝、砷、钙、铬、钴、铜、铁、镁、锰、钠、镍、铅、锑和锌)，其中该工艺包括以下步骤：
[0009]1.提供AMD，典型地具有<2的pH；
[0010]2.用碱例如碳酸氢镁、氧化镁、氢氧化钠或氢氧化铵，优选25％氢氧化铵溶液将AMD的pH调节至在3至5、典型地4至约5、优选约5的范围内；
[0011]3.添加磁赤铁矿纳米颗粒以形成浆料；和
[0012]4.a)对在步骤3)中获得的浆料充气(曝气，aerate)，典型地通过压缩空气或纯氧，或
[0013]b)同时加热和混合在步骤3)中获得的浆料，优选在50℃至70℃、典型地约60℃的温度下和200至300rpm、典型地约250rpm的混合速度下；和
[0014]5.将溶液与负载有一种或多种金属和硫酸根的磁赤铁矿纳米颗粒和从浆料沉淀的金属分离。
[0015]磁赤铁矿纳米颗粒具有使用XRD测量的40至50nm、典型地约48nm的平均粒度。
[0016]可通过过滤分离溶液和磁赤铁矿纳米颗粒以及沉淀的金属，或替代地，在沉淀物充分沉降之后，可通过倾析将所有沉淀的金属与磁赤铁矿纳米颗粒一起从溶液分离。
[0017]任选地，在步骤5中获得的负载有一种或多种金属和硫酸根的磁赤铁矿纳米颗粒可通过煅烧来稳定化。
[0018]磁赤铁矿纳米颗粒可通过如下合成：使工业磁铁矿与空气接触，或烧结从AMD获得的磁铁矿，典型地从约150℃至约250℃在充气下以3至6小时进行。
[0019]AMD中的磁赤铁矿:Fe的质量比可为约1:2至1:1，优选约1:2。
[0020]步骤4b)中的加热和混合可进行至少2小时。
[0021]有利地，硫酸根离子和一种或多种金属离子(例如铁)同时从AMD除去。
[0022]浆料可包含一种或多种沉淀的金属、磁赤铁矿，一种或多种金属和/或硫酸根被吸附在磁赤铁矿或沉淀的污泥/浆料的表面上，一种或多种金属和硫酸根被引入到磁赤铁矿或污泥中。
[0023]在步骤5分离的溶液典型地包含水、较低浓度的硫酸根和未从AMD除去的金属例如钙和镁金属离子。
[0024]处理之后留下的硫酸根残余物可通过使用可溶性钡盐或氢氧化钡处理以硫酸钡沉淀物的形式除去而没有任何pH改变，并且可再用于不同应用。
[0025]处理之后留下的硫酸根残余物可通过使用可溶性钡盐或氢氧化钡处理以硫酸钡沉淀物的形式除去而没有任何pH改变，并且可再用于不同应用。
[0026]从AMD除去的一种或多种金属可为铝、砷、钙、钴、铜、铁、镁、锰、钠、镍、铅、锑和锌、锰、铜、镍、钴和锌金属离子。
[0027]在磁赤铁矿的存在下从AMD获得的污泥充分响应于外部磁场。这使得所收取的污泥是在工业上重要的。
附图说明
[0028]图1是所合成的γ
‑
Fe2O3纳米颗粒的X射线衍射(XRD)图谱；
[0029]图2是γ
‑
Fe2O3纳米颗粒在300K下通过使用超导量子干涉装置(SQUID)测量的滞后回线图；
[0030]图3是γ
‑
Fe2O3纳米颗粒的热重分析图；
[0031]图4A)是γ
‑
Fe2O3纳米颗粒的能量色散X射线光谱(EDX)表面元素组成的扫描电子显微镜(SEM)图像；
[0032]图4B)是γ
‑
Fe2O3纳米颗粒的对应于矩形区域的SEM
‑
EDX元素映射的SEM图像；
[0033]图5是显示在充气和加热下通过在任意质量的～1g L
‑1的γ
‑
Fe2O3纳米颗粒的存在下连续搅拌2小时从酸性矿排水中的金属百分比除去率的图；
[0034]图6显示了a)污泥H、b)γ
‑
Fe2O3纳米颗粒、c)污泥A和d)污泥HC的傅里叶变换红外光谱(FTIR光谱)；
[0035]图7A是A)污泥HC和B)污泥H的由酸性矿排水处理获得的污泥的XRD图谱(a＝γ
‑
Fe2O3，b＝Fe3O4和c＝α
‑
Fe2O3)；
[0036]图7B是C)污泥A的由酸性矿排水处理获得的污泥的XRD图谱(a＝γ
‑
Fe2O3和b＝Mn
0.7
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.处理酸性矿排水(AMD)的工艺，典型地其中所述工艺包括以下步骤：1.提供AMD；2.用碱将AMD的pH调节至在3至约5的范围内；3.添加磁赤铁矿纳米颗粒以形成浆料；和4.a)对在步骤3)中获得的浆料充气，或b)加热和混合在步骤3)中获得的浆料；和5.将溶液与负载有一种或多种金属和硫酸根的磁赤铁矿纳米颗粒及从浆料沉淀的金属分离。2.如权利要求1所述的工艺，其中AMD包含硫酸根和一种或多种金属离子，金属离子包括铝、砷、钙、铬、钴、铜、铁、镁、锰、钠、镍、铅、锑和锌。3.如权利要求1或2所述的工艺，其中AMD具有<2的pH。4.如前述权利要求中任一项所述的工艺，其中，在步骤2处，将AMD的pH调节至在4至约5的范围内。5.如前述权利要求5所述的工艺，其中，在步骤2处，将AMD的pH调节至约5。6.如前述权利要求中任一项所述的工艺，其中碱是碳酸氢镁、氧化镁、氢氧化钠或氢氧化铵。7.如权利要求6所述的工艺，其中碱是25％氢氧化铵溶液。8.如前述权利要求中任一项所述的工艺，其中，在步骤4a)处，通过压缩空气或纯氧对AMD充气。9.如前述权利要求中任一项所述的工艺，其中，在步骤4b)处，将AMD在50℃至70℃的温度下加热。10.如权利要求9所述的工艺，其中，在步骤4b)处，将AMD在约60℃的温度下加热。11.如权利要求9或10所述的工艺，其中，在步骤4b)处，将AMD在混合器中以200至300rpm的速度混合。12.如权利要求11所述的工艺，其中，在步骤4b)处，将AMD在混合器中以约250rpm的速度混合。13.如前述权利要求中任一项所述的工艺，其中，在步骤5处，将溶液与磁赤铁矿纳米颗粒以及沉淀的金属经由过滤分离、或替代地在沉淀物充分沉降之后将所有沉淀的金属与磁赤铁矿纳米颗粒一起通过倾析从溶液分离。14.如前述权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：BB曼巴，KK凯夫尼，
申请(专利权)人：南非大学，
类型：发明
国别省市：