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        造紙白泥資源化利用的可行性途徑初探

        2018-09-21 09:20:20張會芝劉紀(jì)峰連躍宗
        三明學(xué)院學(xué)報 2018年4期
        關(guān)鍵詞:白泥堆場可行性

        張會芝,劉紀(jì)峰,連躍宗

        (1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院,福建 三明,365004;2.工程材料與結(jié)構(gòu)加固福建省高等學(xué)校重點實驗室(三明學(xué)院),福建 三明,365004)

        造紙白泥是制漿造紙過程中采用堿回收技術(shù)處理后的副產(chǎn)品,具有資源化利用價值,不少學(xué)者對其在建材行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了研究,劉一山等[1]將白泥作為鈣質(zhì)原料應(yīng)用于硅酸鹽材料;馬艾華[2]研究利用造紙白泥生產(chǎn)CaO捕集工業(yè)尾氣中的CO2;王傳貴等[3]探討了造紙白泥在復(fù)合材料中的應(yīng)用途徑;郝翊翔等[4]研究了造紙白泥制備碳酸鈣的方法;張禮華等[5]利用造紙白泥制備蒸壓灰砂砌塊;劉來寶等[6]研究了造紙白泥在新型墻體材料中的應(yīng)用;S.Y,Zhang等[7]用竹漿造紙白泥生產(chǎn)保溫板;G.Goel和A.S.Kalamdhad[8]調(diào)查了造紙白泥在制磚行業(yè)中的應(yīng)用。

        福建三明某大型造紙企業(yè),生產(chǎn)過程中排放大量的白泥,多采用露天堆放的方式處理,既占用土地,又需要投入大量資金修建專門的堆放庫以防止?jié)?,同時還有污染環(huán)境的潛在風(fēng)險 (圖1)。如能實現(xiàn)對造紙白泥的資源化利用,能達(dá)到節(jié)約土體、節(jié)省資金等經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)保效益,值得深入探討。

        在前人研究的基礎(chǔ)上,對造紙白泥試樣進(jìn)行成分分析、篩分析、水洗、熱重-熱差分析和X射線衍射分析等測試,并基于試驗結(jié)果,探討其資源化利用的可行性途徑。

        1 試驗測試

        為測試白泥的成分、顆粒分布和相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì),對堆場采集的試樣進(jìn)行了成分分析試驗、篩分試驗(見表1)、pH值測試及水洗對pH值影響試驗等。

        堆場取兩份造紙白泥樣品進(jìn)行成分分析試驗。

        為分析白泥的粒徑組成,取5 000 g堆場白泥樣品進(jìn)行篩分析試驗(圖2),各層篩子的網(wǎng)眼尺寸見表2。

        為測試清洗遍數(shù)對pH值的影響,取300 mL松散體積的堆場白泥樣品進(jìn)行水洗試驗,每次加水量600 mL,清洗過程中溶液上部漂浮一層灰色有機(jī)質(zhì),試驗進(jìn)行3組,取3組pH值的平均值進(jìn)行統(tǒng)計分析,見圖3。

        為研究造紙白泥的熱解特性和組成成分,分別取生產(chǎn)現(xiàn)場和堆場白泥進(jìn)行熱重-熱差分析(TG-DTA)分析,并對生產(chǎn)現(xiàn)場和堆場白泥及其熱分析殘渣進(jìn)行了X射線衍射(XRD)試驗。

        2 試驗結(jié)果分析

        成分分析試驗結(jié)果見表1,由表1可知,兩份樣品的燒失量分別為41.8%和41.96%,說明造紙白泥中有機(jī)質(zhì)含量較高;SiO2、Al2O3和Fe2O3的含量較少,分別在2%、1%和0.24%左右,但兩份樣品的CaCO3含量均較多,分別達(dá)51.27%和52.65%,說明白泥的堿性較大,其資源化利用主要考慮有機(jī)質(zhì)含量和CaCO3成分的應(yīng)用。篩分析試驗結(jié)果見表2和圖3,可知造紙白泥的粒徑主要分布在0.05~0.6 mm區(qū)間,其中0.065~0.1 mm粒徑占比達(dá)62.93%,說明白泥主要以細(xì)顆粒為主。對篩分的各粒組樣品溶液的pH值進(jìn)行了測試,結(jié)果表明,相同質(zhì)量各粒組樣品在加水量相同時(即溶液濃度相同),其溶液pH值變化不大,說明用篩分這種物理方式處理白泥行不通。

        表1 造紙白泥的成分分析結(jié)果

        圖2 造紙白泥的篩分析試驗

        圖3 造紙白泥的粒徑分布曲線

        表2 造紙白泥的篩分析試驗結(jié)果

        清洗遍數(shù)對pH值影響的測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,白泥松散體積和加水量1∶2的條件下,溶液pH值隨著清洗遍數(shù)的增加而降低,初始溶液pH值12.7,清洗6次才降到10.3,隨清洗次數(shù)增加,溶液pH值降低的幅度減小,清洗次數(shù)和溶液pH值的二階指數(shù)衰減擬合公式如式(1),為獲得堿性較低的 CaCO3,需要消耗較多的清水,如實際生產(chǎn)需要考慮清洗水的循環(huán)利用問題。

        生產(chǎn)現(xiàn)場和堆場白泥熱重-熱差分析(TG-DTA)分析試驗結(jié)果如圖5~6所示,表明:生產(chǎn)現(xiàn)場的白泥,隨著Ca(OH)2和CaCO3的熱分解,產(chǎn)生吸熱反應(yīng),質(zhì)量減少;但堆場白泥,隨著Ca(OH)2的脫水,達(dá)到吸熱高峰,同時質(zhì)量減少,分析認(rèn)為還需要進(jìn)一步的商榷,因為吸熱高峰與質(zhì)量減少關(guān)系還沒被人們所認(rèn)知,一般認(rèn)為堆場白泥基本不含有機(jī)質(zhì),而是其中的Ca(OH)2和空氣中CO2反應(yīng)生成了CaCO3所致。

        生產(chǎn)現(xiàn)場和堆場白泥及其熱分析殘渣的X射線衍射(XRD)試驗結(jié)果見圖7~10,圖7顯示,低角度時,只能觀測到很小的CaCO3峰值,其它的小峰值能否被觀測到還不能確定;圖8表明生產(chǎn)現(xiàn)場白泥熱分析殘渣有明顯的CaO峰值;圖9說明堆場白泥有明顯的CaCO3峰值;圖10表明生產(chǎn)堆場白泥熱分析殘渣有明顯的CaO峰值。和TG-DTA試驗一致,XRD試驗結(jié)果也驗證了堆場白泥成分由Ca(OH)2和空氣中CO2反應(yīng)生成了 CaCO3。

        圖4 白泥清洗次數(shù)與溶液pH值關(guān)系

        圖5 生產(chǎn)現(xiàn)場白泥的TG-DTA試驗結(jié)果

        圖6 堆場白泥的TG-DTA試驗結(jié)果

        圖7 生產(chǎn)現(xiàn)場白泥的XRD試驗結(jié)果圖

        圖8 生產(chǎn)現(xiàn)場白泥熱分析殘渣的XRD試驗結(jié)果

        圖9 堆場白泥的XRD試驗結(jié)果圖

        圖10 堆場白泥熱分析殘渣的XRD試驗結(jié)果

        3 白泥綜合利用可行性分析

        基于以上研究,并參考前人研究成果,提出造紙白泥的以下4種資源化利用途徑。

        可行性途徑一:建材或肥料行業(yè)利用[4-21]。XRD試驗結(jié)果表明,白泥主要成分為CaCO3,對其高溫煅燒以后可形成CaO,因此可以將造紙白泥添加到水泥原料中進(jìn)行利用;可將白泥添加到墻體粉刷材料中,但如作為罩面材料應(yīng)用,要處理其白度不夠的問題;可將白泥與高嶺土、黏土、樹脂等粘結(jié)劑混合、造粒、固化,作為保水劑、消臭劑、吸附劑、調(diào)濕劑、冷暖房填充劑等使用;可將堿性漿液應(yīng)用于堿激發(fā)地質(zhì)聚合物原材料,堿激發(fā)金屬尾礦或鋼渣生產(chǎn)自保溫砌塊;或者將白泥與肥料成分混合造粒,作為肥料進(jìn)行利用。

        可行性途徑二:合成人工沸石。人造沸石是由有碳酸鈉、苛性鉀、長石、高嶺石等混合并熔融后制得的具有不規(guī)則結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物,因此,如將NaOH溶液中混合造紙白泥,調(diào)制成懸浮液,在90~100°C加熱反應(yīng),可生成具有規(guī)則空洞和分子級別細(xì)孔的人工沸石,該材料具有吸附機(jī)能,能吸附大氣中的有害物質(zhì)或者惡臭;具有觸媒機(jī)能,能促進(jìn)堆肥熟成并提高其品質(zhì);具有陽離子交換機(jī)能,可進(jìn)行污水處理,排除水中的銨離子,具有酸性土壤的中和作用,合成人工沸石的物理化學(xué)性質(zhì)見表3。

        表3 人工沸石物理化學(xué)性質(zhì)

        可行性途徑三:若造紙白泥中含有氟(F)元素,可先進(jìn)行造紙白泥的固液分離,然后在液體中添加CaO生產(chǎn)CaF2,CaF2可應(yīng)用于鋼鐵生產(chǎn)過程中的脫磷(P)材料,本地有大型鋼鐵企業(yè)福建三鋼集團(tuán),可較多應(yīng)用CaF2;另一方面,在固體殘渣中添加CaO/Ca(OH)2,經(jīng)1000°C左右溫度煅燒形成鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O),煅燒中的鈣礬石含有水泥的成分,在液相中可以和重金屬離子交換,起到固化重金屬離子的作用。若造紙白泥中不含氟(F)元素,可直接添加CaO/Ca(OH)2煅燒形成鈣礬石。脫氟后的液體可將NaOH進(jìn)行濃縮回收,液體可作為再生水在造紙工業(yè)中循環(huán)利用。

        可行性途徑四:生產(chǎn)固化劑。根據(jù)吸收水分中和反應(yīng)及Pozzolanic反應(yīng),可生產(chǎn)鈣礬石并使其團(tuán)粒化,可將造紙白泥作為主要原料生產(chǎn)固化劑,可吸附重金屬等有害物質(zhì),可抑制硫化氫或氨臭等氣味,可高吸水并停止氮化硼反應(yīng)時的再溶出,這種固化劑可廣泛應(yīng)用于池塘、河流、海底等淤泥的處理以及路基、地基等的土體改良、酸性板結(jié)等土地的中性化處理等[18]。

        4 結(jié)論

        為探索某造紙白泥資源化利用的可行性途徑,對白泥試樣進(jìn)行了系列試驗測試,基于試驗結(jié)果,探討了其可行性利用的不同途徑,結(jié)果表明:

        (1)堆場取樣的造紙白泥的主要成分為有機(jī)質(zhì)和CaCO3,兩份堆場取樣樣品的燒失量分別為41.8%和41.96%,CaCO3含量分別為51.27%和52.65%。

        (2)堆場白泥主要以細(xì)顆粒為主,粒徑主要分布在0.05~0.6mm區(qū)間,其中0.065~0.1mm粒徑占比達(dá)62.93%,用篩分的物理方式處理白泥行不通。

        (3)試驗條件下,隨清洗次數(shù)增加,溶液pH值降低的幅度減小,清洗次數(shù)和溶液pH值可采用二階指數(shù)衰減曲線擬合。

        (4)生產(chǎn)現(xiàn)場白泥的CaCO3含量較少,而堆場白泥中CaCO3含量較多,生產(chǎn)現(xiàn)場和堆場白泥熱分析后的殘渣均含較多的CaO。

        (5)造紙白泥可廣泛應(yīng)用于建材和肥料制造行業(yè),也可以合成人工沸石或生產(chǎn)固化劑,具有較好的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。

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