CN107311455A - 一种利用含砷废渣制备含砷固化玻璃的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用含砷废渣制备含砷固化玻璃的方法。通过将含砷废渣、铜冶炼废渣、硅基材料以及硼酸按照一定质量比混合球磨、过筛，将混合料放置在耐火模具中，在一定温度条件下固相反应，然后在高温状态取出冷却，得到色泽均匀、硬度高、表面光滑的固化玻璃，所得固化玻璃满足一般工业用无机玻璃材质的要求。该方法利用工业中废弃的铜渣和危险废物含砷废渣定向调控转化为有工业利用价值的固化玻璃。不但实现了铜渣的减量化及二次资源化，解决了铜渣末端开路和环境污染问题，而且实现了含砷废渣无害化处置的目标，变废为宝，为铜冶炼行业铜渣及砷污染的处理开辟了一条绿色可持续发展道路。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属材料与环境工程交叉领域，涉及一种利用含砷废渣制备含砷固化玻璃的方法。
背景技术
在采矿、冶炼以及化工等过程中产生大量的含砷废渣。我国仅有色行业每年砷排放量超过4万吨，产生的砷渣超过300万吨/年。由于砷的市场有限，企业在资源化回收过程中缺乏经济动力，目前产生的含砷废渣大都以堆置或简单固化填埋的方式进行处置，具有极大的环境风险，同时也造成了砷资源的浪费。
目前关于砷渣处理、处置大都采用固化/稳定化技术，鲜有涉及利用砷渣制备含砷固化玻璃的研究报道或专利授权。目前仅有的一个相关性专利(柴立元等，一种固化含砷废料的方法及生成的固砷类水晶产品和应用，专利申请号：201310188317.8)，研究人员将含砷废渣和铁硼磷系基础玻璃以及砷稳定剂干燥后置于不锈钢模具中加压(10～12Mpa)，经0.8-1.2h匀速升温至400-500摄氏度烧制，再自然冷却脱模得到固砷类水晶。上述方法虽然能得到固砷类水晶，但需要加入铁硼磷系基础玻璃和砷稳定剂进行配料，此外该固化反应需要在一定的压力下(10～12Mpa)才能获得固砷类水晶，否则只能形成固化块。而本发明通过特定配方及比例可以在常压下烧制含砷固化玻璃。
到目前为止，还没有常压下利用砷渣和铜冶炼废渣、硅基材料以及硼酸制备具有高硬度实用性强的含砷固化玻璃的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用废渣资源，制备出具有工业利用价值的含砷固化玻璃的方法，变废为宝，解决铜渣的末端开路和含砷废渣的无害化处置。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用含砷废渣制备含砷固化玻璃的方法：将含砷废渣、铜冶炼废渣、硅基材料以及硼酸按照一定质量百分比混合球磨、过筛，将混合料放置在耐火模具中，在一定温度条件下固相反应，然后在高温状态取出冷却，最终得到含砷固化玻璃。
所述含砷废渣是指砷以砷酸盐(砷酸纳，砷酸钙，砷酸铁等)的形式存在的废渣，废渣中As不超过30wt％，Na占10wt％-30wt％，Ca不超过30wt％，Fe不超过20wt％。
所述的铜冶炼废渣来源于铜冶炼熔炼缓冷工序，主要成分为SiO2占25％-35％，FeO占30％-50％，Fe3O4占5％-20％，Cu<2％，CaO占3％-20％，其余为少量镁、铝氧化物。
所述硅基材料为废弃玻璃或粉煤灰，主要成分为SiO2占65％-100％，B2O3占0％-20％，Na2O占0％-10％，其余为少量碱性金属氧化物。
所述的方法：含砷废渣、铜冶炼废渣、硅基材料以及硼酸质量比为(10％-30％)、(30％-50％)、(20％-50％)、(5％-15％)。
所述的方法：所述混合球磨过筛目数为100-300目。优选150目。
所述的方法：反应在空气和/或惰性气氛中进行，优选气氛为空气。烧结温度为1000-1500℃，优选温度为1200℃。升温速率5-20℃/min，优选升温速率为10℃/min。保温时间为1-5h，优选保温时间为2h。
所述的方法：所述耐火模具材质为陶瓷类或刚玉类。
所述的方法：所述冷却方式包括空气冷却、风冷、水冷或液氮冷却。优选冷却方式为空气冷却。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益效果：
1、本发明所得的含砷固化玻璃色泽均匀，硬度高，具有较高的工业利用价值。
2、本发明相对于现有技术，无需在高压反应条件下进行，节省了能耗。
3、本发明所用的主要原料为工业废渣和含砷危废，变废为宝，为铜冶炼行业铜渣及砷污染的处理开辟了一条绿色可持续发展道路。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程图；
图2为本发明制备的含砷固化玻璃的XRD图；
图3为本发明制备的含砷固化玻璃的形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
采用铜冶炼渣、含砷废渣、硅基材料以及硼酸为原料，其中含砷废渣、铜冶炼渣和硅基材料的组成分见下表。将铜冶炼渣、含砷废渣、硅基材料以及硼酸按照质量比为40:20:31:9进行配料球磨1h，过150目置于陶瓷坩埚中，并将陶瓷坩埚置于马弗炉中在空气气氛中进行烧制，保持升温速率为10℃/min至1100℃，保温1h。反应结束后，将陶瓷坩埚取出置于空气中冷却，得到含砷固化玻璃。对合成的玻璃材料进行X射线衍射分析，结果见图；同时，采用美国TCLP法和GB_T17671-1999水泥胶砂强度检验方法进行浸出特性和抗压强度测试，结果见下表。
表1-1含砷废渣化学组成
| 元素 | As | Na | Si | K | Fe | P | Ca |
| 含量(wt％) | 25.9 | 29.2 | 0.035 | 0.02 | 0.45 | 0.19 | 0.72 |
表1-2铜冶炼渣化学组成
| 元素 | Fe | Si | Cu | Zn | Mg | As | Ca |
| 含量(wt％) | 46.97 | 13.37 | 0.61 | 1.61 | 0.64 | 0.0061 | 0.41 |
表1-3硅基材料废玻璃化学组成
| 元素 | Fe | Si | Na | B | Al | Zr | Ca |
| 含量(wt％) | 0.16 | 34.05 | 2.91 | 4.37 | 1.13 | 0.05 | 0.25 |
表1-4含砷固化玻璃性能
实施例2
采用铜冶炼渣、含砷废渣、硅基材料以及硼酸为原料，其中含砷废渣、铜冶炼渣和硅基材料的组成分见下表。将铜冶炼渣、含砷废渣、硅基材料以及硼酸按照质量比为31:27:33:9进行配料球磨1h，将过200目的原料置于陶瓷坩埚中，并将陶瓷坩埚置于马弗炉中在空气气氛中进行烧制，保持升温速率为10℃/min至1150℃，保温1.5h。反应结束后，将陶瓷坩埚取出置于水中冷却，得到含砷固化玻璃。同时，采用美国TCLP法和GB_T17671-1999水泥胶砂强度检验方法进行浸出特性和抗压强度测试，结果见下表。
表2-1含砷废渣化学组成
| 元素 | As | Na | Si | Fe | P | Ca |
| 含量(wt％) | 22.1 | 7.62 | 0.49 | 1.46 | 0.17 | 21.2 |
表2-2铜冶炼渣化学组成
| 元素 | Fe | Si | Cu | Zn | Mg | As | Ca |
| 含量(wt％) | 46.97 | 13.37 | 0.61 | 1.61 | 0.64 | 0.0061 | 0.41 |
表2-3硅基材料废玻璃化学组成
| 元素 | Fe | Si | Na | B | Al | Zr | Ca |
| 含量(wt％) | 0.16 | 34.05 | 2.91 | 4.37 | 1.13 | 0.05 | 0.25 |
表2-4含砷固化玻璃性能
实施例3
采用铜冶炼渣、含砷废渣、硅基材料以及硼酸为原料，其中含砷废渣、铜冶炼渣和硅基材料的组成分见下表。将铜冶炼渣、含砷废渣、硅基材料以及硼酸按照质量比为44:18:28:10进行配料球磨1h，将过300目的原料置于刚玉坩埚中，并将刚玉坩埚置于马弗炉中在空气气氛中进行烧制，保持升温速率为10℃/min至1100℃，保温1h。反应结束后，将陶瓷坩埚取出置于液氮中冷却，得到含砷固化玻璃。同时，采用美国TCLP法和GB_T17671-1999水泥胶砂强度检验方法进行浸出特性和抗压强度测试，结果见下表。
表3-1含砷废渣化学组成
| 元素 | As | Na | Si | K | Fe | P | Ca |
| 含量(wt％) | 25.9 | 29.2 | 0.035 | 0.02 | 0.45 | 0.19 | 0.72 |
表3-2铜冶炼渣化学组成
| 元素 | Fe | Si | Cu | Zn | S | As | Ca |
| 含量(wt％) | 43.31 | 16.14 | 1.77 | 3.64 | 1.32 | 0.0061 | 4.38 |
表3-3硅基材料废玻璃化学组成
| 元素 | Fe | Si | Na | B | Al | Zr | Ca |
| 含量(wt％) | 0.16 | 34.05 | 2.91 | 4.37 | 1.13 | 0.05 | 0.25 |
表3-4含砷固化玻璃性能
Claims (9)
1.一种利用含砷废渣制备含砷固化玻璃的方法，其特征在于：将含砷废渣、铜冶炼废渣、硅基材料以及硼酸按照一定质量百分比混合球磨、过筛，将混合料放置在耐火模具中，在一定温度条件下固相反应，然后在高温状态取出冷却，最终得到含砷固化玻璃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述含砷废渣是指砷以砷酸盐的形式存在的废渣，废渣中As不超过30wt％，Na占10wt％-30wt％，Ca不超过30wt％，Fe不超过20wt％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的铜冶炼废渣来源于铜冶炼熔炼缓冷工序，主要成分为SiO2占25％-35％，FeO占30％-50％，Fe3O4占5％-20％，Cu<2％，CaO占3％-20％，其余为少量镁、铝氧化物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述硅基材料为废弃玻璃或粉煤灰，主要成分为SiO2占65％-100％，B2O3占0％-20％，Na2O占0％-10％，其余为少量碱性金属氧化物。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：含砷废渣、铜冶炼废渣、硅基材料以及硼酸质量比为(10％-30％)、(30％-50％)、(20％-50％)、(5％-15％)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述混合球磨过筛目数为100-300目。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：反应在空气和/或惰性气氛中进行，烧结温度为1000-1500℃，升温速率5-20℃/min，保温时间为1-5h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述耐火模具材质为陶瓷类或刚玉类。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述冷却方式包括空气冷却、风冷、水冷或液氮冷却。
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