Fundamental Research on Reactive Crystallization Process between Acidic Wastewater Containing Heavy Metals and Lime

酸性重金属废水产生量大、pH值低，水中重金属离子种类多、含量高，严重危害人体健康和生态环境，排放至水体中严重影响居民饮用水乃至生命安全，是工业生产过程中的重大污染源之一。治理酸性重金属废水的方法较多，目前生产领域主要采用较为经济的石灰乳中和沉淀法。石灰沉淀法工艺简单，但是中和渣渣量大、含水率高、过滤性能差，沉淀渣中的重金属离子存在二次污染的潜在危害等。深入掌握中和反应过程的化学机理，在低成本条件下提高工艺处理效率、使沉淀渣中重金属高效解吸富集利用成为解决问题的新途径。本论文以石灰乳与酸性重金属废水的反应结晶过程控制为研究对象，开展了硫酸钙晶体成核与生长过程研究，深入分析影响结晶产物晶习的主要因素，并探索中和沉淀渣资源化利用的可行性。论文研究了反应温度、反应物浓度、反应物加入速度、搅拌速度以及酸性重金属废水中主要金属离子对石灰乳-硫酸水溶液反应结晶生成硫酸钙晶体形貌与粒度等的影响。石灰乳与硫酸水溶液反应结晶条件实验表明，不同结晶条件下结晶产物均为二水硫酸钙晶体，且晶体粒径较小。反应温度对晶体形貌的影响最大，温度高于60℃，硫酸钙晶体形貌从片状向棒状转变。根据实际酸性废水的组成，考察废水结晶过程中的主要影响因素Fe3+、Al3+、Mg2+、Zn2+离子对反应结晶过程的影响。低浓度的Fe3+、Al3+、Mg2+离子单独或共同存在于溶液中，硫酸钙晶体形貌均为片状结构， Fe3+、Al3+、Mg2+、Zn2+离子共同存在，硫酸钙晶体由片状转变为针状；Mg2+离子浓度高于0.08 mol/L时，晶体从片状和针状结构转变为棒状结构；Zn2+和Al3+离子促进硫酸钙晶体得到团聚体，不同浓度Zn2+离子单独存在，晶体团聚成花朵状，Al3+离子浓度越大，硫酸钙团聚越明显。结果表明，控制反应温度并调节废水中离子浓度，制取粒径均一且适于沉淀渣过滤以及共沉淀金属离子解吸的硫酸钙晶体的途径有效可行。论文进一步考察了石灰乳二段工艺处理酸性重金属废水及二段沉淀渣清洁利用的可行性。在常温下，利用对一段中和反应结晶过程的控制，能够实现废水中Fe3+离子和其它金属离子的分离。控制结晶过程得到的一段及二段沉淀渣中二水硫酸钙晶体呈针状，针状晶体被金属沉淀物包裹产生团聚。沉淀渣经硫酸洗涤得到较为纯净的针状二水硫酸钙晶体，沉淀物中重金属离子含量低于0.005%，可以作为建筑材料等实现增值利用。洗涤液中主要金属离子Zn2+、Fe3+和Al3+的含量分别达到23390、17840和5126 mg/L，分别为废水中离子浓度的7.80、8.29和5.13倍，实现富集浓缩。研究结果表明，深入控制洗涤工艺，进一步高效解吸和浓缩金属离子，是酸性废水后续有效处理和资源化利用的有效途径