李衍林 李旻廷 魏 昶 李興彬 鄧志敢
(1.云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南 曲靖 655011;2.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院,昆明 650093)
不銹鋼因其優(yōu)良的耐腐蝕性和良好的外觀而被廣泛應(yīng)用。酸洗是不銹鋼生產(chǎn)加工過程必不可少的環(huán)節(jié)[1]。一般,首先用硫酸除去表面的氧化鐵皮,然后用硝酸和氫氟酸混酸進(jìn)行酸洗。隨著酸洗過程的進(jìn)行,酸洗液中游離酸越來(lái)越少,反應(yīng)生成硫酸鹽越來(lái)越多。當(dāng)酸洗液中金屬濃度達(dá)到50~60 g/L時(shí),金屬鹽將從酸洗液中結(jié)晶析出,此時(shí)就必須清洗或更換酸洗槽[2]。因此,酸洗廢水中含有大量Fe2+及游離酸,同時(shí)含有少量Cr3+、Ni2+、Mn2+等。該酸性廢水是對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重和對(duì)人類危害大的工業(yè)廢水之一,必須對(duì)其進(jìn)行處理。
目前國(guó)內(nèi)外主要有三類處理方法:1)單純酸回收技術(shù)[3-5],如擴(kuò)散滲析法、雙極膜電滲析法、蒸發(fā)法、樹脂吸附法等;2)金屬離子回收技術(shù)[6-9],主要是選擇性沉淀法、析晶法;3)酸和金屬離子聯(lián)合回收技術(shù)[10-13],如熱解法、納濾—結(jié)晶法等。不管采用何種工藝,酸性廢水回收再生后均形成兩種產(chǎn)物,一種是脫除大部分重金屬的處理后液,處理后液或排放或返回循環(huán)使用;另一種是重金屬的濃縮產(chǎn)物(稱為“鹽泥”),通常含鎳、鉻等金屬,被認(rèn)為是危險(xiǎn)廢物。由于該鹽泥中硫酸亞鐵產(chǎn)品純度低、雜質(zhì)含量高,不能直接作為產(chǎn)品對(duì)外銷售,鹽泥的堆存將對(duì)環(huán)境造成潛在的威脅;另一方面,作為危廢處置時(shí),由于處置費(fèi)用較高,給企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。因此,必須對(duì)鹽泥進(jìn)行進(jìn)一步處理,以實(shí)現(xiàn)鹽泥的資源化利用或無(wú)害化處理。
目前,關(guān)于該蒸發(fā)結(jié)晶渣中鐵和鎳的分離回收處理鮮有報(bào)道。張克宇等[14-15]采用結(jié)晶的方法處理鈦白副產(chǎn)物—硫酸亞鐵,通過多次溶解結(jié)晶后,制備得到了符合國(guó)標(biāo) GB/T664—2011《化學(xué)試劑七水合硫酸亞鐵》要求的硫酸亞鐵產(chǎn)品。但該研究并不涉及其他有價(jià)金屬(如鎳、鉻等)的綜合回收。馬保中等[16]對(duì)不銹鋼酸洗廢水有價(jià)組分進(jìn)行梯級(jí)分離、鈣以硫酸鈣晶須形式回收。結(jié)果表明,鐵、鎳和鉻的選擇性沉淀率均超過99.9%,再生硝酸濃度超過143 g/L,硝酸再生率超過95%。
本研究對(duì)象蒸發(fā)結(jié)晶渣是不銹鋼硫酸酸洗廢水采用減壓蒸發(fā)的方法處理后得到的一種含鐵、鎳、鉻、錳等硫酸鹽的混合結(jié)晶物。針對(duì)該結(jié)晶渣中含有大量的鐵和游離酸以及一定量鎳的特點(diǎn),將結(jié)晶渣溶解以配制接近飽和的硫酸亞鐵溶液,利用同離子效應(yīng)(結(jié)晶渣中含有大量的硫酸)進(jìn)行冷卻結(jié)晶,制備硫酸亞鐵初級(jí)產(chǎn)品;然后再通過產(chǎn)品純化,制備得到符合國(guó)標(biāo)GB/T 10531—2016 Ⅱ類要求的水處理劑硫酸亞鐵產(chǎn)品。上述處理實(shí)現(xiàn)了大部分鐵與鎳鉻等的分離,為后續(xù)鎳的回收創(chuàng)造了較好條件,得到的結(jié)晶母液用于后續(xù)鎳的回收。本文重點(diǎn)研究硫酸亞鐵產(chǎn)品的制備,考察結(jié)晶溫度、時(shí)間、初始鐵濃度和結(jié)晶方式對(duì)硫酸亞鐵結(jié)晶效率和純度的影響。
實(shí)驗(yàn)原料為某鋼鐵企業(yè)的硫酸酸洗廢水通過減壓蒸發(fā)后得到的結(jié)晶渣,其主要成分見表1。從表1可知,結(jié)晶渣含鐵23.27%、鎳0.5%、錳2.31%、游離硫酸含量達(dá)到8.65%,結(jié)晶渣中的鐵和鎳具有一定的回收價(jià)值。結(jié)晶渣中的鐵主要以FeSO4·2H2O形式存在。
表1 實(shí)驗(yàn)原料的主要化學(xué)成分
實(shí)驗(yàn)試劑包括去離子水、NaOH、硫酸、鹽酸、磷酸、重鉻酸鉀、氯化汞、氯化亞錫、二苯磺酸鉀,試劑均為分析純。
KOBYLIN等[17]研究了硫酸亞鐵在不同溫度下的結(jié)晶物相及溶解度,對(duì)硫酸亞鐵的冷卻結(jié)晶而言,當(dāng)溫度低于56.6 ℃時(shí),對(duì)應(yīng)的平衡固相主要為FeSO4·7H2O;而當(dāng)溫度高于56.6 ℃時(shí),對(duì)應(yīng)的平衡固相主要為FeSO4·H2O。同時(shí),當(dāng)溫度為64 ℃時(shí),此時(shí)對(duì)應(yīng)的硫酸亞鐵溶解度最大。因此,本文結(jié)晶渣溶解實(shí)驗(yàn)溫度恒定在64 ℃。
為實(shí)現(xiàn)鐵與鎳鉻的分離,在結(jié)晶過程中,期望硫酸亞鐵盡可能多地結(jié)晶析出,而鎳鉻等組分盡可能留在結(jié)晶母液中。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),必須了解不同金屬硫酸鹽在不同溫度下的溶解度。鐵、鎳、鉻、錳等金屬硫酸鹽的溶解度見表2。
由表2可知,鐵、鎳、鉻、錳等硫酸鹽的溶解度存在一定差異。在溫度低于60 ℃時(shí),硫酸亞鐵溶解度隨溫度升高而增加;當(dāng)溫度大于60 ℃時(shí),其溶解度逐步增加。而硫酸鎳溶解度隨溫度升高而增加。硫酸錳溶解度隨溫度先增加后降低,在20~30 ℃時(shí)達(dá)到最大。常溫下,硫酸鉻(Ⅲ)溶解度較大,這對(duì)抑制鉻進(jìn)入硫酸亞鐵晶體是有利的。實(shí)驗(yàn)原理就是利用不同溫度下各金屬硫酸鹽的溶解度差,差值越大,越有利于控制硫酸亞鐵中鎳、鉻、錳等雜質(zhì)含量。
表2 幾種金屬硫酸鹽的溶解度
采用溶解—結(jié)晶的方法來(lái)分離結(jié)晶渣中鐵和鎳鉻等,主要分為溶質(zhì)的溶解過程和結(jié)晶析出過程。溶解過程是在一定條件下將結(jié)晶渣中的可溶物質(zhì)溶解在水中,并結(jié)晶或達(dá)到飽和。冷卻結(jié)晶過程依據(jù)溶質(zhì)在不同溫度溶劑中溶解度的不同,通過控制溫度,使溶質(zhì)結(jié)晶析出,從而達(dá)到分離結(jié)晶渣中鐵和鎳鉻的目的[14]。
1.3.1 硫酸亞鐵初級(jí)產(chǎn)品制備
1)結(jié)晶渣溶解
采用溶解平衡法配制接近飽和的硫酸亞鐵溶液。在2 L燒杯中用一定量的水溶解結(jié)晶渣,然后升高溶液溫度至64 ℃,此后,每間隔1 h,取樣分析溶液中的鐵。當(dāng)鐵濃度接近平衡時(shí),則溶液接近飽和,確定此時(shí)溶解過程的液固比。
2)硫酸亞鐵初級(jí)產(chǎn)品制備
結(jié)晶過程的設(shè)備為低溫恒溫反應(yīng)浴(DFY-5/40,上海保玲儀器設(shè)備有限公司)。將已制備好的接近飽和的硫酸亞鐵溶液冷卻至30 ℃,恒溫1 h,為Ⅰ段結(jié)晶,液固分離后得到30 ℃時(shí)的硫酸亞鐵結(jié)晶;Ⅰ段結(jié)晶母液繼續(xù)冷卻到5 ℃,恒溫1 h,即為Ⅱ段結(jié)晶,液固分離后得到5 ℃時(shí)的硫酸亞鐵結(jié)晶及結(jié)晶母液。30、5 ℃的產(chǎn)物均為硫酸亞鐵初級(jí)產(chǎn)品。對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的液體樣和固體樣進(jìn)行成分分析,計(jì)算硫酸亞鐵純度、雜質(zhì)含量及結(jié)晶率。
在硫酸亞鐵初級(jí)產(chǎn)品制備過程中,考察初始鐵濃度的影響時(shí),控制不同的溶解液固比,以制備得到不同F(xiàn)e濃度的溶液,供后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。
1.3.2 硫酸亞鐵初級(jí)產(chǎn)品純化
將硫酸亞鐵初級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行純化實(shí)驗(yàn),純化過程采用溶解再結(jié)晶工藝,結(jié)晶過程分為Ⅰ段和Ⅱ段,其結(jié)晶溫度分別控制在30 ℃和5 ℃、結(jié)晶時(shí)間均為1 h。純化后的產(chǎn)物即為七水硫酸亞鐵。
1.3.3 鎳鉻錳回收
將結(jié)晶母液蒸發(fā)濃縮到體積減少50%,然后在-20 ℃下冷凍結(jié)晶1 h,冷凍后液用NaOH溶液中和至pH值為10.5,過濾后得到中和渣和中和后液;中和渣洗滌后得到的洗渣即為含鎳沉淀物。將洗水和中和后液混合后進(jìn)行除氟,加入石灰乳進(jìn)行除氟,液固分離后得到除氟渣和除氟后液。對(duì)除氟后液進(jìn)行蒸發(fā)后可得到硫酸鈉產(chǎn)品。工藝流程如圖1所示。
圖1 結(jié)晶渣處理工藝流程
實(shí)驗(yàn)過程液樣中元素的濃度采用火焰原子吸收光譜(AAS)(WFX-320型火焰原子吸收光譜儀,北京瑞利分析儀器公司)進(jìn)行分析。硫酸亞鐵產(chǎn)品的分析采用國(guó)標(biāo)GB/T 10531—2016方法。原料XRD采用X射線衍射儀(TTR18kW 銅靶X射線衍射儀,日本理學(xué)公司)進(jìn)行分析。
2.1.1 結(jié)晶渣溶解
在一定的體系中,硫酸亞鐵的溶解度是一定的。為實(shí)現(xiàn)溶解后液中鐵的高效結(jié)晶,必須配制接近飽和的硫酸亞鐵溶液。硫酸亞鐵在64 ℃時(shí)的溶解度最大。因此,在64 ℃的條件下研究了結(jié)晶渣的溶解行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
圖2 實(shí)驗(yàn)原料溶解后液中鐵濃度與時(shí)間的關(guān)系
從圖2可知,溶解1 h后,鐵濃度為110 g/L,此后繼續(xù)延長(zhǎng)溶解時(shí)間,鐵濃度變化并不明顯,表明溶液中鐵濃度接近飽和。因此,后續(xù)實(shí)驗(yàn)中鹽泥溶解后的鐵濃度控制110 g/L左右。在此條件下制備了50 L溶解后液作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)料液,主要成分(g/L):TFe 114.2、Ni 2.59、Cr 2.88、Mn 7.57、H2SO449.20。
2.1.2 結(jié)晶溫度的影響
溫度是影響硫酸亞鐵結(jié)晶過程最重要的因素之一,決定著硫酸亞鐵結(jié)晶效率,同時(shí)對(duì)硫酸亞鐵結(jié)晶中雜質(zhì)含量也有重要的影響。因此,在初始鐵濃度114.2 g/L、時(shí)間60 min、攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min的條件下,考察了結(jié)晶溫度對(duì)結(jié)晶后液中金屬濃度的影響,結(jié)果如圖3所示。
圖3 結(jié)晶溫度對(duì)結(jié)晶后液中金屬濃度的影響
圖3表明,結(jié)晶溫度對(duì)溶液中離子濃度影響較大,結(jié)晶后液中鐵濃度從—2 ℃時(shí)的58 g/L提高至15 ℃時(shí)的74 g/L。表明,隨著結(jié)晶溫度的升高,結(jié)晶后液中鐵濃度升高,鐵結(jié)晶效率降低。與結(jié)晶前相比,結(jié)晶后液中鎳和錳的濃度降低,表明結(jié)晶過程中,鎳和錳會(huì)結(jié)晶析出(或者機(jī)械夾帶);而結(jié)晶后液中鉻濃度增加,表明鉻的結(jié)晶量較少,即鉻在結(jié)晶后液中有富集趨勢(shì),這對(duì)控制硫酸亞鐵晶體中鉻含量是有利的。因此,對(duì)硫酸亞鐵的結(jié)晶析出過程而言,要盡可能控制較低的結(jié)晶溫度,以提高結(jié)晶效率;但結(jié)晶溫度越低,雜質(zhì)金屬,如鎳、鉻、錳等進(jìn)入硫酸亞鐵的量將會(huì)增加。為此,需要對(duì)結(jié)晶效率與產(chǎn)品雜質(zhì)含量進(jìn)行綜合考慮,以確定結(jié)晶溫度。從表3可知,當(dāng)結(jié)晶溫度在-2~15 ℃時(shí),鐵結(jié)晶效率從57.52%逐漸降低至45.74%,結(jié)晶所得硫酸亞鐵晶體的純度從91.34%逐步升高至93.58%?;诮Y(jié)晶效率和純度兩方面考慮,結(jié)晶溫度控制在5 ℃較為適宜。
表3 結(jié)晶溫度對(duì)硫酸亞鐵中雜質(zhì)含量及純度的影響
2.1.3 結(jié)晶時(shí)間的影響
在結(jié)晶溫度5 ℃、初始鐵濃度114.2 g/L、攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min的條件下,考察了結(jié)晶時(shí)間對(duì)結(jié)晶后液中金屬濃度的影響,結(jié)果如圖4所示。從圖4可知,結(jié)晶時(shí)間對(duì)硫酸亞鐵的結(jié)晶效率影響不大。當(dāng)結(jié)晶時(shí)間超過10 min后,結(jié)晶后液中Fe、Ni、Cr、Mn濃度變化并不明顯,鐵濃度從1 min時(shí)的67.6 g/L降低至120 min時(shí)的65.8 g/L。故此,為保證鐵的結(jié)晶效率,后續(xù)實(shí)驗(yàn)中時(shí)間控制在30 min。在晶體的生長(zhǎng)過程中,待結(jié)晶物質(zhì)從液體本體中心向晶體表面擴(kuò)散,并在晶粒表面吸附、沉積。晶核生長(zhǎng)速率的快慢直接影響到雜質(zhì)離子在晶粒表面沉積的快慢,進(jìn)而影響提純的效果。而當(dāng)穩(wěn)定晶核形成后,其生長(zhǎng)速率主要由溫度和溶液過飽和度控制,一方面飽和度越大晶核生長(zhǎng)速率越快;另一方面隨溫度升高晶核生長(zhǎng)速率亦隨之增大[18]。
圖4 結(jié)晶時(shí)間對(duì)結(jié)晶后液中金屬濃度的影響
結(jié)晶時(shí)間對(duì)硫酸亞鐵結(jié)晶效率和純度的影響見表4。由表4可知,隨著結(jié)晶時(shí)間的延長(zhǎng),硫酸亞鐵結(jié)晶效率和濕基純度均略有增加,但增加幅度并不明顯。
表4 結(jié)晶時(shí)間對(duì)硫酸亞鐵結(jié)晶效率及純度的影響
2.1.4 初始鐵濃度的影響
初始鐵濃度是影響硫酸亞鐵結(jié)晶效率的另一個(gè)重要因素,也對(duì)硫酸亞鐵結(jié)晶純度有一定的影響。因此,在初始鐵濃度分別為100、109、123、134 g/L、恒溫時(shí)間30 min、控制攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min的條件下,考察了初始鐵濃度對(duì)硫酸亞鐵結(jié)晶效率及純度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和表5所示。
圖5 初始鐵濃度對(duì)結(jié)晶后液鐵濃度和硫酸亞鐵純度的影響
表5 初始鐵濃度對(duì)硫酸亞鐵結(jié)晶效率和濕基純度的影響
圖5和表5數(shù)據(jù)表明,初始鐵濃度對(duì)結(jié)晶濾液鐵濃度、結(jié)晶效率、硫酸亞鐵純度影響較大。隨著初始鐵濃度的增加,結(jié)晶后液中鐵濃度呈逐漸降低的趨勢(shì),結(jié)晶效率呈逐漸升高的趨勢(shì),說明初始濃度越高,結(jié)晶過程中析出的硫酸亞鐵晶體越多。在123 g/L時(shí)總結(jié)晶率達(dá)到71.5%,之后增長(zhǎng)速率下降,在134 g/L達(dá)到76%。硫酸亞鐵產(chǎn)品的純度隨著初始濃度略有降低的趨勢(shì)。綜合硫酸亞鐵純度、結(jié)晶效率、雜質(zhì)含量等因素,初始鐵濃度確定為120 g/L左右。
2.1.5 結(jié)晶段數(shù)的影響
在初始鐵濃度121.5 g/L、時(shí)間30 min、攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min的條件下,考察了結(jié)晶段數(shù)對(duì)硫酸亞鐵結(jié)晶效率、結(jié)晶后液中金屬濃度、硫酸亞鐵濕基純度的影響,實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果見表6和表7。由表7可知,當(dāng)Ⅰ段結(jié)晶溫度為35 ℃時(shí),硫酸亞鐵結(jié)晶效率為18%左右,而當(dāng)結(jié)晶溫度降低至30 ℃時(shí),硫酸亞鐵結(jié)晶效率提高至27%,此時(shí)兩段總的結(jié)晶效率為66.39%,相比一段結(jié)晶時(shí)54%(表3)的結(jié)晶效率而言,提高了12個(gè)百分點(diǎn)。這表明,采用兩段結(jié)晶,有利于提高鐵的結(jié)晶效率,有利于鐵與鎳鉻的分離。
表6 結(jié)晶段數(shù)過程的實(shí)驗(yàn)條件
表7 結(jié)晶段數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
上述研究雖然實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶渣中大部分鐵與鎳鉻錳的分離,并制備得到了硫酸亞鐵初級(jí)產(chǎn)品,其濕基純度可達(dá)93%以上,但該產(chǎn)品中雜質(zhì)含量較高,尤其是Cr含量高,不能直接作為產(chǎn)品對(duì)外銷售。針對(duì)這一問題,開展了產(chǎn)品純化實(shí)驗(yàn)研究,目的是獲得滿足GB/T 10531—2016要求的產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8和表9。
表8 純化(重溶—結(jié)晶)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
表9 純化后Ⅱ段結(jié)晶物產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果
從表8和表9可知,硫酸亞鐵初級(jí)產(chǎn)品通過重溶—兩段結(jié)晶的純化處理后,不管是Ⅰ段還是Ⅱ段結(jié)晶產(chǎn)物中,Cr含量大幅度降低。其原因在于,Cr2(SO4)3在30 ℃和5 ℃時(shí)的溶解度遠(yuǎn)高于硫酸亞鐵,但在這兩個(gè)溫度下Cr2(SO4)3并不結(jié)晶析出,僅有少量夾帶進(jìn)入硫酸亞鐵晶體中。因此,通過重溶—兩段結(jié)晶的純化處理后,硫酸亞鐵產(chǎn)品質(zhì)量可以達(dá)到GB/T 10531—2016 Ⅱ類產(chǎn)品要求。與此類似,張克宇等[14-15]采用結(jié)晶法處理鈦白副產(chǎn)硫酸亞鐵,采用多次結(jié)晶處理,獲得了符合國(guó)標(biāo)GB/T 664—2011《化學(xué)試劑七水合硫酸亞鐵》的產(chǎn)品。
通過溶解—結(jié)晶—純化處理實(shí)現(xiàn)了大部分鐵與鎳、鉻的分離,但結(jié)晶母液中鐵濃度較高(68 g/L,表8),鎳的回收困難,必須進(jìn)一步對(duì)母液進(jìn)行處理。采用蒸發(fā)濃縮—冷凍結(jié)晶的方法對(duì)其進(jìn)行處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表10。
表10 結(jié)晶母液蒸發(fā)濃縮—冷凍結(jié)晶實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對(duì)冷凍后液進(jìn)行了中和沉淀—蒸發(fā)制備硫酸鈉的實(shí)驗(yàn),得到了含鎳4%左右的沉淀物,該沉淀物可作為鎳回收的原料,其主要成分(%):Fe 6.67、Ni 4.13、Cr 9.98、Mn 10.79、F 5.04、S 3.85??梢钥闯觯泻统恋砦镏?,鎳含量達(dá)到4.13%,與實(shí)驗(yàn)原料中鎳含量0.5%相比,富集倍數(shù)為8倍,鎳回收率為53%,其余的鎳分散損失在硫酸亞鐵產(chǎn)品中。該中和沉淀物可作為硫化鎳精礦造锍過程的配料使用。中和沉淀后液通過除氟后,進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶,制備得到無(wú)水硫酸鈉產(chǎn)品,產(chǎn)品指標(biāo)如表11。
表11 硫酸鈉產(chǎn)品質(zhì)量
1)采用溶解—結(jié)晶—純化工藝流程,能夠?qū)崿F(xiàn)不銹鋼酸洗廢水蒸發(fā)結(jié)晶渣中鐵與鎳、鉻的分離,制備得到符合GB/T 10531—2016 Ⅱ類產(chǎn)品要求的硫酸亞鐵。
2)硫酸亞鐵的結(jié)晶效率隨著結(jié)晶溫度的降低和初始鐵濃度的增加而升高,但其純度呈現(xiàn)相反的規(guī)律。在溶解溫度64 ℃、Ⅰ段和Ⅱ段結(jié)晶溫度分別為30、5 ℃、Ⅰ和Ⅱ段結(jié)晶時(shí)間均為30 min、攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min的條件下,硫酸亞鐵結(jié)晶效率可達(dá)66.39%,其濕基純度為93%。
3)結(jié)晶母液通過蒸發(fā)濃縮—冷凍結(jié)晶—中和沉淀—蒸發(fā)制備硫酸鈉,可獲得含鎳4%的提鎳原料,以及GB/T 6009—2014 Ⅰ類一等品的無(wú)水硫酸鈉產(chǎn)品。