当前位置:首页 > 粉体技术 > 粉体应用技术 > 正文
如何高效去除拜耳法氧化铝过程中有机物?高级氧化技术未来可期
2022年05月23日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:123
觉得文章不错?分享到:

目前,世界上95%以上的氧化铝都是采用拜耳法工艺生产,其主要过程包括铝土矿高温高压溶出、赤泥沉降、晶种分解等工序。在拜耳法生产氧化铝的过程中,有机物可通过多种途径进入拜耳循环,约96%的有机物来源于铝土矿,其余有机物来源于工序中添加的浮选剂、絮凝剂等物质。

氧化铝粉体

随着铝土矿的不断开发利用,其品位逐渐降低且有机物含量越来越高,当有机物在拜耳液中不断循环累积达到一定浓度后,会给氧化铝的正常生产带来严重的危害,主要归纳为降低种分分解率、影响氧化铝的质量、改变溶出液的物化性质、增加碱耗及恶化生产环境等。因此,去除拜耳液中的有机物对于氧化铝生产具有重要意义。

部分氧化铝厂拜耳液中有机物种类及分布

目前,脱除拜耳液中有机物的常规方法主要有铝土矿焙烧法、母液焙烧法、沉淀法、结晶法、吸附法、离子交换法及生物法等,这些方法存在能耗大、成本高、二次污染严重、可处理的有机物范围窄及沉淀剂用量大等问题。而高级氧化技术(advanced oxidation processes,AOPs)是一种清洁环保的新型有机物处理工艺,该技术具有反应速率快、去污效率高、应用灵活、不产生二次污染等优点,在污水处理方面具有广阔的应用前景,在拜耳液中有机物去除方面逐渐受到关注。

高级氧化技术的原理特点

高级氧化技术是通过向反应体系中输入氧化剂(如O3和H2O2等)、催化剂(如镍铜合金、CuO、TiO2等)以及外界能量(如电能、光能等),产生高活性氧自由基(如·OH,O2-·,H2O2等),经过一系列反应后,废水中的有机污染物被转化为小分子中间产物、CO2、H2O和无机盐等物质,从而实现有机废水的无害化处理。其中,·OH的氧化能力极强且非常活泼,几乎能与所有的含氢化合物作用且无二次污染。

高级氧化技术的氧化机理

高级氧化技术的氧化机理

高级氧化技术具有以下几方面的特点:

(1)速度快、效率高。高级氧化技术在反应过程中可以产生较多·OH,在高电子密度的有机物(如含硝基、磺酸基和氯基等基团的有机物)的氧化方面具有显著效果;

(2)可控性好。可以添加氧化剂和催化剂使链式反应不间断地运行,通过控制反应条件和加入化学药剂可以随时控制链式反应进行及中止反应;

(3)适用范围广。不仅可以单独用于有机物废水的预处理和深度处理,还可以与其他技术组合使用,不同高级氧化技术之间相互强化作用,达到提高处理效率和降低成本的目的;

(4)节能环保。·OH作为高级氧化技术的中间产物,可引发后续链式反应,链式反应自发放出的热量将为系统供能,直至链式反应终止,同时产物安全无害,可实现高效绿色降解。

几种高级氧化技术应用现状

1.臭氧氧化法

臭氧由于具有作用范围广、快速高效、无污染等优点而受到广泛关注,臭氧氧化法主要通过链式反应产生的·OH强烈氧化溶液中部分难降解的有机物而发挥作用,亦被广泛应用于杀菌消毒及水质脱色处理等方面,

臭氧氧化法处理拜耳液中部分有机物的效果显著,但是单一臭氧氧化对于草酸钠等有机物的去除效果并不明显,同时臭氧易降解含碳碳双键的有机物,生成醇、醛、酮、酸等小分子中间产物,但很难进一步将其矿化为二氧化碳。此外,工艺成本高及O3制备效率低是限制该技术工业化应用的最大难题。因此,可以考虑臭氧联合其他高级氧化技术,在增强臭氧氧化效果的同时克服其不足之处,从而推进臭氧氧化法的工业化进程。

臭氧氧化过程

臭氧氧化过程

2.湿式氧化法

强氧化物(空气、氧气等)在高温(150~ 350 C)、高压(0.5~20 MPa)下可产生大量·OH,湿式氧化法正是基于此特性,在液相水的存在下对溶液中的有机物进行高温高压氧化处理,将其高效氧化降解为CO2和H2O等小分子物质。

其中,催化剂可以降低反应活化能,使得自由基的氧化能力大幅提升,从而提高有机物的去除效率,还可以提高氧化反应的安全性。目前,常用的催化剂主要是CuO、Cu2+和镍铜合金等。

与常规方法相比,湿式氧化法克服了适用范围窄、处理效率低、二次污染严重和氧化速率慢等缺点,但是仍需克服反应条件苛刻和一次性投资巨大等局限性。

湿式氧化法装置示意图

湿式氧化法装置示意图

3.光催化氧化法

常规条件下将光辐射和光敏催化剂(如TiO2、SnO2等)引入反应体系,通过光激发引起氧化还原反应,产生氧化活性基团,如·OH、O2-·及HO2·等,进而高效氧化有机物。该方法可以避免湿式氧化法高温高压的苛刻条件,具有有机物去除效率高、反应条件要求低及反应速率快等优点,在有机废水处理领域应用广泛。

光催化法原理示意图

光催化法原理示意图

光催化氧化法具有反应性和化学稳定性高、毒性小、成本低等优点,能够有效处理拜耳液中的有机物。但是,为了最大化利用光能,仍需寻找溶液的最佳稀释比以及筛选和制备高效光催化剂。薄膜光反应器是一种将光催化剂作为特殊薄膜的反应器,具有成本低、催化剂易于分离及光利用率高等特点,但在催化剂薄膜的筛选及制备方面尚有待进一步深入研究。

4.复合高级氧化技术

随着对于拜耳液中有机物成分的研究不断深入,单一高级氧化技术难以有效去除日益复杂的各种有机物。将多种高级氧化技术联用可达到“1+1>2”的效果,其相互之间的协同作用可有效提高·OH浓度,加快有机物的降解速率,降低高级氧化技术的应用成本。

针对拜耳液中有机物的去除,O3与H2O2联用可有效解决单一高级氧化技术面临的种种缺陷,例如湿式氧化法面临的反应条件苛刻、设备材料要求高等问题以及臭氧氧化法面临的成本高昂等问题。

5.其他高级氧化技术

除上述介绍的高级氧化技术外,还有其他高级氧化技术,主要包括过硫酸盐氧化法(persulphate oxidation, PSO)、电催化氧化法(electrocatalytic oxidation,EO)、超声氧化法(ultrasonic oxidation,US)、超临界水氧化法(supercritical water oxidation,SCWO)、芬顿氧化法(Fenton oxidation process, FOP)等,目前,这些氧化技术尚未应用于拜耳液中有机物的处理。垃圾渗滤液、部分有机废水与拜耳液含有相似的成分,如腐殖质、甲酸盐、乙酸盐、草酸盐、柠檬酸盐或芳香族化合物等,这些高级氧化技术已应用于垃圾渗滤液与部分有机废水的处理中,表明其具有应用于拜耳液中有机物去除的潜力。

总结

高级氧化技术具有速度快、效率高、可控性好、适用范围广且环境友好等优势,在拜耳液中有机物去除方面具有广阔的应用前景。但是目前仍然存在较大的局限性,例如高耗能、高成本、对设备要求高等缺点。

在拜耳液中复杂、难处理的有机物降解方面,高级氧化技术的未来发展趋势主要为:通过不同高级氧化技术之间的协同作用,有效克服单一高级氧化技术的现有缺陷,提高有机物的处理效率和降低成本;对于不同有机物的氧化降解机理需要进一步深入研究;研究成本更低、效果更好的新型氧化剂和催化剂,以有效增加自由基的产率,进一步提高有机物的去除效率。


参考来源:

高级氧化技术去除拜耳液中有机物的研究进展,冉剑锋、段海盛、姚家舒、李亚丽、尹少华(昆明理工大学冶金与能源工程学院、昆明理工大学复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室、云南文山铝业有限公司)。


粉体圈小吉

本文为粉体圈原创作品,未经许可,不得转载,也不得歪曲、篡改或复制本文内容,否则本公司将依法追究法律责任

相关内容:
 

粉体求购:

设备求购:

寻求帮助:

合作投稿:

粉体技术:

关注粉体圈

了解粉体资讯