JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
공학

في اتجاهين تثمين انفجار فرن الخبث: توليف معجل كربونات الكالسيوم والأنظف الزيوليت المعادن الثقيلة الممتزات

Published: February 21, 2017
doi:
10.3791/55062
, , ,
1Department of Offshore, Process and Energy Engineering,Cranfield University, 2School of Applied Chemical and Environmental Sciences,Sheridan College Institute of Technology and Advanced Learning, 3School of Engineering,University of Guelph, 4Carbon Systems Engineering, Centre for Combustion, Carbon Capture and Storage,Cranfield University

Summary

A protocol for the parallel production of precipitated calcium carbonate and zeolitic material from blast furnace slag via mineral carbonation and alkaline hydrothermal conversion, respectively, is presented. The performance of the zeolitic material towards nickel adsorption is tested.

Abstract

The aim of this work is to present a zero-waste process for storing CO2 in a stable and benign mineral form while producing zeolitic minerals with sufficient heavy metal adsorption capacity. To this end, blast furnace slag, a residue from iron-making, is utilized as the starting material. Calcium is selectively extracted from the slag by leaching with acetic acid (2 M CH3COOH) as the extraction agent. The filtered leachate is subsequently physico-chemically purified and then carbonated to form precipitated calcium carbonate (PCC) of high purity (<2 wt% non-calcium impurities, according to ICP-MS analysis). Sodium hydroxide is added to neutralize the regenerated acetate. The morphological properties of the resulting calcitic PCC are tuned for its potential application as a filler in papermaking. In parallel, the residual solids from the extraction stage are subjected to hydrothermal conversion in a caustic solution (2 M NaOH) that leads to the predominant formation of a particular zeolitic mineral phase (detected by XRD), namely analcime (NaAlSi2O6∙H2O). Based on its ability to adsorb Ni2+, as reported from batch adsorption experiments and ICP-OES analysis, this product can potentially be used in wastewater treatment or for environmental remediation applications.

Introduction

وكربونات غير المباشرة للمخلفات الصناعية الغنية بالمعادن القلوية تم بحثها على نطاق واسع كجزء من تقنيات احتجاز الكربون وتخزينه 1، 2، 3، 4. بعض كمية من ثاني أكسيد الكربون 2 ويمكن تخزين بكفاءة، بشكل دائم، وبطريقة غير حميدة في الغلاف الجوي. ومع ذلك، في حين تتشكل المواد الثمينة، هناك جزء من هذه التقنية التي لا تزال تستكشف غير الكافية. في عملية الكربنة غير المباشرة، يتم استخراج الكالسيوم بشكل انتقائي من المواد وتعرض بعد ذلك إلى كربونات تحت ظروف خاضعة للرقابة. ومع ذلك، فإن عملية تثمين النفايات تولد المخلفات الصلبة من المواد. لا مزيد من معالجة هذه المخلفات أو استغلالها بعد مرحلة الاستخراج الكالسيوم. تجهيز الطرق التي تقلل من إنتاج مثل هذه المخلفات، أو حتى أن القضاء عليها، ينبغي العثور عليها. الى هذانهاية، في الآونة الأخيرة، كانت هناك محاولة لتطوير وتحسين العملية التي، باستخدام الفرن العالي (BF) الخبث كمادة ابتداء، وعزل المعدنية خالية من النفايات من الكربون، وترافق مع تشكيل المعادن المفيدة، يمكن أن يكون حقق 5، 6.

وتأهلت عدة مواد النفايات مثل الكواشف فعالة لCO 2 تمعدن. من بينها، الخبث iron- وصنع الفولاذ تقدم ملحوظ أعلى التجريبية CO 2 جرعات من كل النفايات الصناعية الأخرى (4). جاذبية من الخبث BF لتثمين النفايات يكمن في صفاته (الكيماوية والمعدنية، والخصائص المورفولوجية) والتطبيقات الممكنة للمادة 5. وهو منتج ثانوي من عملية صنع الحديد، حيث تتم إزالة الشوائب من خام الحديد في عملية المعدنية الحرارية. واستنادا إلى الطريقة التي يتم تبريده عن منصبه بعد انفصاله عن molteن الحديد، يتم إنشاء أربعة أنواع مختلفة من الخبث: (ط) تبريد الهواء (أي البلورية)، (ب) حبيبات (أي المزججة)، (ج) الموسعة (أي الخلوية)، و (د) pelletized.

على الرغم من أن إنتاج عجلت كربونات الكالسيوم (PCC) باستخدام كربونات غير المباشرة من الخبث BF هو العملية التي تمكنت من جذب الكثير من الاهتمام 7، 8، وتحويل المياه الحارة من الخبث لإنتاج المعادن الأنظف الزيوليت هو التكنولوجيا التي تم دراستها و وضعت فقط خلال السنوات الأخيرة 9 و 10 و 11. ومع ذلك، في أي من الحالات التي اعتبرت بأنها التقنية التي يمكن استخدامها في تركيبة مع كربونات غير المباشرة من الخبث BF من أجل تحقيق تشكيل التكافلية من PCC والزيوليت. وعقب عملية تثمين اتجاهين وصفت هنا، هذه التقنيات اثنينتقترن لإنجاز عزل كاف من CO 2 في حين أن الحصول أيضا المعادن الأنظف الزيوليت والقضاء على أي بقايا صلبة المحتملة. ووفقا لهذا الإجراء، يتم تخزين ثاني أكسيد الكربون 2 في الكالسيوم التي تم استخراجها من الخبث عن غسل حمض عبر معدن كربونات رد فعل 5. لتحقيق خصائص المنتج PCC مناسبة للتطبيقات في صناعة الورق (المعادن وتوزيع حجم الجسيمات، ومورفولوجيا الجسيمات)، والعصارة من مرحلة الاستخراج هو تنقيته 6 الأولى الفيزيائية وكيميائيا. في موازاة ذلك، يتم تشكيل المعادن الأنظف الزيوليت في محلول الصودا الكاوية عن طريق تحويل المائية من المخلفات الصلبة الناتجة من مرحلة استخراج الكالسيوم 5.

الزيوليت هو المعدنية alumino سيليكات. ويحدث ذلك بشكل طبيعي، ولكن يمكن أيضا أن تنتج صناعيا على نطاق واسع. وقد تم تحديد الأطر الزيوليت فريدة عديدة، مما يؤدي إلى مختلف تطبيق صحيفةبالجمع للمواد. على سبيل المثال، يمكن أن تستخدم كعوامل مساعدة في العديد من القطاعات الصناعية 12، 13؛ وجدوا في المنظفات ومواد البناء والمواد المضافة في الأسفلت والخرسانة 14 و 15، وبورتلاند 16، 17؛ ولديهم أيضا التطبيقات الطبية في 18 و 19 و 20 و الزراعي 21، 22، 23 المجالات. وعلاوة على ذلك، نظرا إلى مناطق سطحها الكبيرة والقدرات المحددة تبادل الأيونات الموجبة، والزيوليت ويمكن أيضا أن تستخدم مواد ماصة 24، 25، 26، 27. ويمكن أيضا أن هذه مواد ماصة خاصة أن تستخدم رس علاج مباشرة مجاري معدنية محملة الثقيلة، مثل مياه الصرف الصحي أو المياه الجوفية الملوثة 28، 29، 30، 31. في هذه الدراسة، والمواد الأنظف الزيوليت المنتجة من الخبث BF عبر عملية تثمين اتجاهين هو، لأول مرة، اختبار باعتبارها مكثف للمعدن ثقيل، وهي والنيكل.

لعملية تكافلية المقترحة، ينبغي استخدام وكيل استخراج انيس إلى كل من المجلس المركزي الفلسطيني وتشكيل الزيوليت. وهكذا، فإن اختيار مستخلصة مناسبة أمر بالغ الأهمية. ومن بين العديد من وكلاء الرشح تطبيقها في بحث سابق على كل من كربونات غير المباشرة 7 و 8 و تحويل المياه الحارة 10 و 11 من الخبث BF، وقد تم اختيار حامض الخليك كما الواعدة. حمض الهيدروكلوريك آثار 10 المعروضات ضارة على كل من زeneration من PCC وعلى الانتقائية الرشح، مما تسبب في خسائر كبيرة في كميات سي و آل في حل العصارة. من ناحية أخرى، فقد ثبت حمض الفورميك 11 لتكون فعالة، لأنه تمكن من إزالة كفاءة الكالسيوم والمغنيسيوم من الخبث أثناء تقديمه لافتة الانتقائية الرشح، وترك كل من سي وقناة دون عائق. ومع ذلك، فإنه يقدم التفكك الحمضي انخفاض مستمر من حامض الخليك 33، مما يشير إلى أن هطول الأمطار من كربونات الكالسيوم يجب أن تكون أكثر يسرا للتحقيق بعد توظيف الحلول خلات وكيلا الاستخراج. وقد تبين أيضا أنه في بعض الحالات، مثل مع استخدام succinates 34 و الأوكزالات من العمر 35 عاما، غير كربونات ترسب النموذج في مكان PCC. Eloneva وآخرون. 36 مقارنة ستة عشر extractants لإزالة الكالسيوم من الخبث صناعة الصلب وحمض الخليك وجدت لتكون أكثر كفاءة (أفضلأداء بين 0.5 م و 2 م تركيزات مستخلصة) وأنجح (أعلى الانتعاش الكالسيوم في ~ 100٪).

يصف بروتوكول التالية في التفاصيل العملية التجريبية مختبر النطاق الذي يؤدي إلى تشكيل PCC عالية النقاء والمواد الأنظف الزيوليت، مع الاستخدامات المحتملة والحشو الورق ومواد ماصة المعادن الثقيلة، على التوالي. BF الخبث هو المادة الانطلاق. وترد أيضا إجراءات الاختبار المطبقة لتقييم المواد الأنظف الزيوليت توليفها باعتبارها الماصة المعادن الثقيلة كافية.

Protocol

1. الكالسيوم استخراج من خبث الأفران العالية ملاحظة: نظرا لتأثير ضار من الحموضة على الانتقائية الترشيح، واستخراج الكالسيوم يحدث في خطوتين، وذلك باستخدام نصف المولية لحمض الخليك (CH 3 COOH) التي يمكن استخدامها في خطوة واحدة. طحن الخبث BF باستخدام هاون ومدقة وغربال لحجم الجسيمات أقل من 2 ملم. فضها مفاعل الأوتوكلاف أن مجهزة النمام ثنائي المكره، سترة التدفئة / التبريد، وقياس الضغط، والحرارية. تأكد من أن المناطق الداخلية من وعاء المفاعل ومكونات جاحظ من رئيس مفاعل (النمام رمح، المكره، وكذلك الحرارية، الذي يعمل بمثابة الحاجز) نظيفة وخالية من أي شوائب التي قد تتداخل مع عملية استخراج الكالسيوم. إذا لم تكن كذلك، وغسلها جيدا. تزن 100 غرام من الخبث BF منخول (<2 مم) ووضعه في وعاء. إضافة 731 مل من CH 3 COOH (2 م) إلى tانه سفينة وختم عليها. تأكد من أن مفاعل مختومة وتثبيتها بشكل صحيح لدعمها. وضع سترة التدفئة في الموقف الصحيح، بحيث تغطي ما يقرب من السفينة بأكملها. ضبط درجة حرارة التدفئة إلى 30 درجة مئوية، وتبدأ خلط الطين في 1000 دورة في الدقيقة. انتظر حتى درجة الحرارة في المناطق الداخلية من مفاعل تصل إلى نقطة مجموعة (حوالي 15 دقيقة)، ثم ترك الطين خلط في الشروط المذكورة أعلاه لمدة 60 دقيقة. بمجرد انقضاء وقت استخراج الحمضية، وإزالة سترة التدفئة، فضها المفاعل، وتصب الطين من المفاعل في كوب. ويمكن أيضا صمام استنزاف استخدامها، ولكن المواد الصلبة الخشنة قد تمنع مرور. فراغ تصفية الطين لفصل حل الراشح من المواد الصلبة المتبقية؛ استخدام ورقة فلتر مع حجم المسام من 8 ميكرون أو أقل. معالجة المواد الصلبة مباشرة (كعكة الرطب)، أو تركها لتجف في درجة حرارة الغرفة لمعالجة في وقت لاحق. ملاحظة: إن العصارة يمكن تخزيندرجة الحرارة المحيطة ر، لكنه يفضل أن مواصلة تجهيزها (تنقيته والغازية) بعد ذلك بوقت قصير لتجنب الأمطار غير المنضبط للمركبات المنحل. يغسل كل من رئيس المفاعل والسفينة بالماء DI للتأكد من عدم وجود بقايا من الحامض أو الخبث وتركت وراءها. ضع الجافة، بقايا صلبة من أول خطوة استخراج الكالسيوم في وعاء وإضافة 731 مل من CH 3 COOH (2 م). كرر نفس الإجراء (الخطوة 1.5) لخلط المواد الصلبة مع الحامض (عند 30 درجة مئوية و 1،000 دورة في الدقيقة لمدة 60 دقيقة). في نهاية الخطوة استخراج الثانية، ووضع الطين بعد القلع في أنابيب الطرد المركزي. استخدام أنابيب ذات قدرة كبيرة (على سبيل المثال، 50 مل أو أكثر) واتباع الممارسات الطرد المركزي القياسية، مثل ضمان وزنا متساويا في كل أنبوب. فصل المواد الصلبة من العصارة بواسطة الطرد المركزي الطين في 2500 x ج لمدة لا تقل عن 10 دقيقة. ببطء صب طاف في زجاجة جديدة بينما كهeping المواد الصلبة في الأنابيب. ملاحظة: وهكذا حقق فصل المواد الصلبة (مع وقف التنفيذ السيليكا وبقايا الخبث BF) من الطور السائل الكالسيوم خلات الغنية. استرداد بقايا الصلبة الناتجة من الخطوة استخراج الثانية من الأنابيب وإعادة تعليق في الماء DI. أداء جولة أخرى من الطرد المركزي لإزالة الأسيتات الذائبة المتبقية. استرداد المواد الصلبة غسلها والسماح لهم لتجف في ظل الظروف المحيطة. الجمع بين الحلول من كل من الأول الترشيح استخراج (الترشيح) والثاني الطرد المركزي استخراج (طاف) للحصول على العصارة بعد القلع. 2. تنقية الفيزيائية والكيميائية للمياه الرشح بعد استخراج ملاحظة: على الرغم من فصل المواد الصلبة من المحلول الراشح (الخطوة 1.9)، وطاف الناتجة لا يزال يحتوي على الشوائب القابلة للذوبان أو الغروية. وأهم هذه الشوائب هي السيليكا والمغنيسيوم والألومنيوم.وفقا لالأعمال المنشورة سابقا 32، والذوبان السيليكا في الماء النقي يتناسب مع درجة الحرارة من الحل (أي عن طريق خفض درجة حرارة الماء النقي، وذوبان السيليكا يقلل أيضا). على الرغم من أن الحل العصارة ليس الماء النقي، فقد وجد أن تعريض طاف من فصل الصلبة والسائلة من الطين بعد القلع إلى نتائج في مزيد من إزالة السيليكا التبريد (مقارنة الطرد المركزي وحده) 2. من ناحية أخرى، المغنيسيوم والألومنيوم الشوائب موجودة في طاف في شكل الأسيتات. من أجل الحد بشكل كبير الذوبان، فإنها يجب أن تتحول إلى هيدروكسيدات المعادن غير القابلة للذوبان التي كتبها ضبط الأس الهيدروجيني (2). إضافة محلول هيدروكسيد الصوديوم المركز (50٪ ث / ث) لطاف، بحيث يكون تركيز النهائي من هيدروكسيد الصوديوم في طاف هو 1.25 م. هذا سوف يزيد من درجة الحموضة إلى حوالي 8.4، وبالتالي تحويل الآس المغنيسيوم والألومنيومتتس إلى شكل قابل للذوبان أقل بكثير من حيث المائية. إضافة محلول الصودا الكاوية ببطء مع التحريك وقياس درجة الحموضة. وضع طاف المخصب هيدروكسيد الصوديوم في الثلاجة وتبريده إلى 1 درجة مئوية للتسبب في هطول إضافية من السيليكا. تبريد مرة واحدة، فراغ تصفية الحل باستخدام ورق الترشيح مع حجم المسام 0.45 ميكرون. الترشيح الجزئي لنتائج الحل في إزالة المزيد من السيليكون ومن الشوائب المترسبة من المغنيسيوم والألومنيوم. 3. كربونات من الراشح تنقية ملاحظة: نظرا لتجديد حمض الخليك على كربونات، ويستخدم هيدروكسيد الصوديوم كمادة مضافة للتخفيف من الحموضة، الذي يثبط هطول الكالسيوم. لإنتاج PCC أنقى، هيدروكسيد الصوديوم ينبغي أن تستخدم في تركيز شبه متساوي المولية فيما يتعلق بذلك من COOH CH 3 والمستخدمة في استخراج خطوة (2 م). صب العصارة تنقيته إلى إعادة الأوتوكلافالممثل. التحقق من كل مكونات السفينة وغطاء لها للتحقق من أن تكون نظيفة من بقايا من الاستخدامات السابقة من أجل تجنب الشوائب التدخل في ردود الفعل كربونات. إضافة المركزة هيدروكسيد الصوديوم (50٪ ث / ث) إلى وعاء، مثل أن تركيز هيدروكسيد الصوديوم النهائي في حل العصارة النقي هو 1.7 م، من أجل تحييد مجدد CH 3 COOH خلال الكربنة. اغلاق المفاعل وربط بعناية لدعمها. وضع سترة التدفئة المفاعل في الموقف الصحيح. ضبط درجة حرارة التدفئة إلى 30 درجة مئوية، وتبدأ خلط الطين في 1000 دورة في الدقيقة. انتظر حتى داخل المفاعل يصل إلى درجة الحرارة المطلوبة (حوالي 15 دقيقة). بدء الكربنة من الخليط عن طريق إدخال لمفاعل CO 2 عالية النقاء (99.5٪) في 2 بار. تشغيل لمدة 60 دقيقة. عند الانتهاء من كربونات، وإزالة سترة التدفئة، أزال الضغط وفضها المفاعل، وتصب الطين الغازية في كوب. ملحوظة:ويمكن أيضا صمام استنزاف استخدامها بعد تخفيض الضغط، والمواد الصلبة على ما يرام. فراغ تصفية الطين مما أدى لفصل الرواسب الصلبة من الحل. استخدام ورقة فلتر مع حجم المسام من 8 ميكرون أو أقل. شطف كعكة فلتر جيدا بالماء DI تحت فراغ لإزالة الصوديوم القابلة للذوبان. ملاحظة: انخفاض ملحوظ في التوصيل من الترشيح شطف يمكن استخدامها لتأكيد شطف نقطة النهاية. فرن تجفيف المواد الصلبة في درجة حرارة 105 مئوية لمدة 24 ساعة لاسترداد PCC. 4. الحرارية المائية التحويل من المخلفات الصلبة استخراج ملاحظة: للحصول على تحويل المياه الحارة، استخدمت المنضب الكالسيوم المواد الصلبة المتبقية من استخراج الخبث حمض الخليك انفجار فرن. بعد كل تشغيل استخراج (بما في ذلك الخطوات)، أقل من 50٪ بالوزن من كتلة الأولية يمكن استردادها (بسبب استخراج الكالسيوم وفقدان جزئي للالسيليكا الغروية في الترشيح واعتمادا على ورقة الترشيح porosiتستخدم تاي). وبالتالي، هناك حاجة إلى دفعات متعددة من استخراج لتوليد كتلة من المواد الصلبة المستخدمة في خطوة تحويل المائية. وضع 60 غرام من الجافة والمواد الصلبة المتبقية من استخراج الكالسيوم في مفاعل الأوتوكلاف نظيفة. إضافة 300 مل من 2 الحل M هيدروكسيد الصوديوم. اغلاق المفاعل وربط ذلك لدعمها. وضع سترة التدفئة المفاعل في الموقف الصحيح. ضبط درجة حرارة التسخين إلى 150 درجة مئوية، وتبدأ خلط الطين في 300 دورة في الدقيقة. انتظر حوالي 45-50 دقيقة، حتى داخل المفاعل يصل إلى درجة الحرارة المطلوبة. ترك الطين خلط في الشروط المذكورة أعلاه لمدة 24 ساعة. عند الانتهاء من تحويل المائية، وإزالة سترة التدفئة والسماح للمفاعل ليبرد لمدة 60 دقيقة، إلى ما يقرب من 35 درجة مئوية. ويمكن أيضا أن دائرة تبريد سترة المفاعل استخدامها لتسريع التبريد. فضها المفاعل وصب الطين تحويله إلى الكأس. </li> فراغ تصفية الطين لفصل المواد الصلبة وتحويلها من الحل. استخدام ورقة فلتر مع حجم المسام من 8 ميكرون أو أقل. شطف المواد الصلبة جيدا بالماء DI تحت فراغ لإزالة الصودا الكاوية الزائدة. ملاحظة: انخفاض ملحوظ في التوصيل من الترشيح شطف يمكن استخدامها لتأكيد نقطة نهاية الشطف. فرن تجفيف المواد التي تمت تصفيتها في 105 درجة مئوية لمدة 24 ساعة للحصول على المواد تحويل المياه الحارة. تفصيل المواد الحبيبية باستخدام هاون ومدقة وغربال المواد الناتجة إلى حجم الجسيمات <0.85 مم. 5. المعادن الثقيلة الامتزاز الاختبارات مع المنتج الأنظف الزيوليت ملاحظة: يتم تحديد ني 2+ مثل المعادن الثقيلة للتحقيق. تم توليفها حلول الملوثة مع تركيزات مختلفة من المعادن الثقيلة الأولية. وقد تم اختيار تركيزات المعادن الثقيلة الأولية من 2-200 ملغ / لتر بما يتناسب مع احتياجات هذه الدراسة. لإعداد الحلول الملوثة للتجارب التوازن، واستخدام ماصة صغيرة لإضافة كمية مناسبة من 1000 ملغم / لتر الصف التحليلي حل القياسية ني 2+ إلى 1 لتر من الماء نقي للغاية في قارورة حجمية لإنتاج الحلول المطلوب ني 2+ تركيزات (2 ملغم / لتر، و 10 ملغم / لتر، و 20 ملغم / لتر، و 100 ملغم / لتر، و 200 ملغم / لتر). في الزجاجات البلاستيكية المغطاة، تفريق 1 غرام من المواد تحويل المياه الحارة الناتجة من الخطوة 4.6 في 100 مل من كل حل الملوثة استعداد صناعيا. إضافة المركزة هيدروكسيد الصوديوم (2 M في أول و 0.5 M أقرب إلى نقطة النهاية) قطرة قطرة لضبط درجة الحموضة من الحلول إلى 4-5. يحرك باستمرار الحل بسرعة منخفضة باستخدام شريط التحريك المغناطيسي على طبق من اثارة. مراقبة درجة الحموضة في حين إضافة هيدروكسيد الصوديوم باستخدام القطب درجة الحموضة غارقة في الحل. وضع الزجاجات في حاضنة شاكر وتستنهض الهمم لهم في 160 دورة في الدقيقة و 20 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. بعد الاختلاط، إضافة حمض الهيدروكلوريك المركز (2 M في البداية و 0.2 M أقرب إلى نقطة النهاية) قطرة قطرة إلى حل لتعديل الرقم الهيدروجيني إلى 4-5. خلال التكيف، وإثارة باستمرار الحل بسرعة منخفضة باستخدام شريط التحريك المغناطيسي على طبق من اثارة. مراقبة الأس الهيدروجيني متواصلة بينما إضافة حمض الهيدروكلوريك باستخدام القطب درجة الحموضة غارقة في الحل. وضع الطين في أنابيب الطرد المركزي. فصل المواد الصلبة من الحل باستخدام جهاز للطرد المركزي مختبر في 2500 x ج لمدة 5 دقائق. بعناية من أجل حل طاف لزجاجة جديدة مع الحفاظ على المواد الصلبة في أنبوب الطرد المركزي. يحمض الحل مع HNO 3 (2٪ بالوزن تركيز حمض النيتريك) للحد من درجة الحموضة إلى <2. ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة لضمان أن تبقى الأيونات في المحلول أثناء التخزين (عند درجة حرارة الغرفة) قبل مواصلة التلاعب والتحليل. تحديد تركيز توازن المعادن الثقيلة التحقيق في طاف باستخدام برنامج المقارنات الدولية لعملية التضامن الإماراتي. والمخفف حلول من قبل: ملاحظةعامل 10-100x باستخدام 2٪ بالوزن HNO 3 مخفف، مثل أن تركيز المتوقع يقع في مجموعة خطية من معايرة الأدوات (0-2 ملجم / لتر). ، في 2 ملغم / لتر، يضاف الايتريوم لكل عينة مخففة كمعيار داخلي. يتم تشغيل الأداة ICP-OES بناء على توصيات الشركة الصانعة لتحليل المعادن في مياه الصرف الصحي 37. تقنيات بديلة لتحديد تركيز النيكل في حل مثل ICP-MS وأنصار السنة، هي أيضا مناسبة لهذه الخطوة. حساب كمية من المعادن الثقيلة كثف في غرام من المازة في التوازن (ف ه) باستخدام الصيغة التالية: حيث C س هو تركيز الأولي (مكرومول / مل) من ايونات المعادن الثقيلة في الحل، C e هي تركيز توازن الأيونات المعدنية الثقيلة في الحل (مكرومول / مل)، والخامس هو فولوم من الحل الملوثة (مل)، و m هو كتلة مكثف الجافة (ز).

Representative Results

لاختبار رواسب كربونات للنقاء والغلة، ويمكن تطبيق العديد من التقنيات مفيدة. التركيب العنصري (بما في ذلك المكونات الرئيسية والثانوية) يمكن تحديد إما عن طريق إضافة بالحث البلازما الطيفي الانبعاث الذري (ICP-OES)، عن طريق إضافة بالحث الطيف البلازما كتلة (ICP-MS) أو الذري الطيفي امتصاص (AAS) بعد الهضم الحمضي (في حمض الهيدروكلوريك)، أو عن طريق الأشعة السينية الطيفي مضان (XRF) مع عينة في مسحوق أو بيليه النموذج. XRF هو أقل حساسية لمكونات بسيطة (<1٪ بالوزن). تم العثور على مزيد من التفاصيل والأمثلة في دي كروم وآخرون. 6 هذه النتائج سوف تظهر إذا الشوائب غير المرغوب فيها موجودة وسوف تساعد على تحديد، من خلال توازن الكتلة، وكفاءة تحويل محتوى الكالسيوم من الخبث الأصلي إلى PCC. من الأفضل تحديد التركيب المعدني بواسطة حيود الأشعة السينية مسحوق (حيود الأشعة السينية). يوفر diffractogram الناتجة النوعيةمعلومات عن وجود مراحل المعدنية البلورية. يتم تقدير حجم المبالغ النسبية التي كتبها ريتفيلد تقنية الصقل (مع دقة حول ± 2-3٪ بالوزن). مزيد من التفاصيل والأمثلة يمكن العثور عليها في سانتوس وآخرون. و38 هذه النتائج التحقق إذا كانت الشروط العملية أو الشوائب التي تؤثر على عملية التبلور، وتوليد مراحل غير مرغوب فيها إضافية إلى جانب الكالسيت (كربونات الكالسيوم 3). من الأفضل تحديد توزيع حجم الجسيمات (PSD) ويعني قطر الجسيمات من الرطب (الماء DI) حيود الليزر. مزيد من التفاصيل والأمثلة يمكن العثور عليها في دي كروم وآخرون. 6 وتستخدم هذه النتائج لتقييم ما إذا كان المجلس المركزي الفلسطيني يلبي متطلبات التطبيق المقصود بها (أي الورق)، والتي تحدد عادة ما يكون الجزء العلوي من حجم قطع وفترة التوزيع. التركيب العنصري من العصارة بعد القلع وبعد كربوناتالمنتجات، فضلا عن نمط حيود الأشعة السينية ومديرية الأمن العام على أساس حجم الرواسب بعد الكربنة، يتم عرض في أرقام 1 و 2. تم استخدام تقنية ICP-MS لقياس المحتوى (٪ بالوزن) من بعض المعادن (الكالسيوم، والمغنيسيوم، القاعدة، وسي) في تكوين العصارة بعد مرحلة الاستخراج الكالسيوم وكربونات قبل لها. أدى استخدام حامض الخليك الصف التحليلي (2 م) وكيلا الرشح في استخراج الكالسيوم من ما يقرب من 90٪ (الشكل 1A). ووفقا للنتائج، تم الكشف عن كفاءة الاستخراج أعلى من الماغنسيوم (ما يقرب من 100٪)، والمعادن الأخرى التي يمكن الغازية بكفاءة ولكن تحت ظروف أكثر كثافة. تم التحقيق أيضا سلوك السليكا والألومنيوم خلال مرحلة الاستخراج. لإنتاج بنجاح alumino القائم على سيليكات المعادن الأنظف الزيوليت من خلال تحويل المياه الحارة، ولكن أيضا لتجنب تلوث PCC توليفها مع Undeعناصر انجب، ينبغي أن يظل كل من السيليكا والألمنيوم في المرحلة الصلبة أثناء عملية الاستخراج. ووفقا للنتائج، عرضت حمض الخليك والرشح محدود مرضية من السيليكا والألمنيوم، مع ما يقرب من 92٪ من السيليكا و 62٪ من الألمنيوم المتبقية تتأثر أثناء عملية الترشيح (الشكل 1B). أسفرت الكربنة من الحل العصارة النقي في إنتاج PCC مع الخصائص المرغوبة، كما هو مبين في الشكل 2. وبناء على الرسم البياني حيود الأشعة السينية (2B الشكل)، وكانت المرحلة المعدنية التي تم تصنيعه أساسا أن من الكالسيت (88.2٪ بالوزن)، في حين أن كميات صغيرة من nesquehonite (المغنيسيوم (HCO 3) (OH) · 2H 2 O؛ 3.2٪ بالوزن) والكالسيت magnesian (الكالسيوم والمغنيسيوم 1-،85 0-،15 CO 3؛ 2.8٪ بالوزن) كانوا حاضرين أيضا. من تحليل مديرية الأمن العام من المادة (الشكل 2C)، أصبح من الواضح أن الجسيمات الاحجام متوسطوكان البريد صغير وكان توزيع حجم الجسيمات الضيق. بالتوازي مع كربونات، تعرضوا للمخلفات الصلبة من مرحلة الاستخراج لتحويل الهيدروحرارية. توصيف المواد تحويل المياه الحارة، للتحقق من إنتاج المعادن الأنظف الزيوليت وتقييم التشكل، وقد أجريت على النحو التالي. يتم الحصول على التركيب العنصري الأكثر بسهولة بواسطة XRF. تقرير تتبع عنصر يتطلب الهضم الحمضي تليها ICP-OES، ICP-MS، أو أنصار السنة، مع الهضم نفذت باستخدام حل حامض متسلسل (HNO 3 -HF أو HNO 3 -HClO 4 -HF) بحل مرحلة السيليكا. وبينما لا يوجد تكوين عنصر معين المستهدفة لهذه المادة المحولة، هذا التحليل يساعد على توضيح التركيب المعدني الذي يحدده حيود الأشعة السينية. تحليل حيود الأشعة السينية لتحديد التركيب المعدني، مديرية الأمن العام، ويعني قطرها الجسيمات كانوا مصممين على نحو مماثل لرواسب الكربونات، وليالي سبق ذكره. تم تحديد منطقة معينة السطح، حجم المسام، ويعني قطر المسام عن طريق الامتزاز النيتروجين، مع الأيسوثرم تفسر وفقا لبروناور-ايميت-تيلر (BET) نظرية متعددة نقطة. العينات يجب نزع الغاز في البداية في ظل فراغ في 350 درجة مئوية لمدة 4 ساعات. مزيد من التفاصيل والأمثلة يمكن العثور عليها في شيانغ وآخرون. 5 محتوى الكالسيوم، والمغنيسيوم، القاعدة، وسي في المواد تحويل المياه الحارة، التي تحددها باستخدام تقنية ICP-OES، هو مبين في الشكل 3A، في حين يظهر التركيب المعدني، وتحديد من أنماط حيود الأشعة السينية، في الشكل 3B. حجم متوسط الجسيمات وحجم التوزيع، تم الحصول عليها من تحليل مديرية الأمن العام، هو مبين في الشكل 3C. يتميز المادية المترتبة معدنيا من خلال وجود مرحلتين أساسيتين: analcime (NaAlSi 2 O 6 ∙ H 2 O) وtobermorite (كاليفورنيا 5 (OH) 2 سي 6 O 16 ∙ 4H 2 O). وجود هذا الأخير في مخلفات استخراج المحولة يبرر محتوى الكالسيوم ملحوظ (22.5٪ بالوزن) التي تم الكشف عنها في التركيب الكيميائي للمادة، حيث تم تحليلها باستخدام XRF. كانت السيليكا (37.2٪ بالوزن) والألومنيوم (11.2٪ بالوزن) العناصر الأساسية الأخرى، في حين أن المغنيسيوم موجود في كميات من حوالي 4٪ بالوزن. استنادا إلى تحليل مديرية الأمن العام، لحظة حجم (دي بروكر) يعني قطر الجسيمات (D [4،3]) من المواد المحولة كان 86.6 ميكرون، في حين تراوح حجم التوزيع من 0.594 ميكرون إلى 1.11 مم. أكد تحليل امتصاص النيتروجين تشكيل المواد mesoporous (46.0 نانومتر يعني قطر المسام)، مع مساحة محددة وحجم المسام من المواد تحويل المياه الحارة، على التوالي، وزيادة من 4.89 م 2 / غرام و 95.23 م 2 / ز ومن 0.014 مل / غرام و 0.610 مل / ز على مدى الخبث الأصلي. <p class="jove_content" fo:keep-togethe r.within الصفحات = "1"> الأيسوثرم التوازن امتصاص ني 2+ على المواد تحويل المياه الحارة، قبل وبعد تعديل درجة الحموضة من حل مكثف كثف معايرتها، وكذلك تركيب البيانات التجريبية إلى خطي وترد انجميور، فروندليتش، وTemkin نماذج الامتزاز في الشكل (4). ويستند هذا النموذج انجميور على بعض الافتراضات المعقولة التي تميز عملية بالكيماويات. ووفقا لهم، سطح مكثف يقدم سوى عدد محدد من مواقع الامتصاص، مع الأشكال والأحجام متطابقة، وتتميز قدرة الامتصاص متطابقة. أشكال المواد كثف طبقة واحدة فقط (سمك من جزيء واحد) على سطح مكثف، ودرجة حرارة ثابتة. رياضيا، وأعرب عن نموذج انجميور بواسطة المعادلة التالية: /files/ftp_upload/55062/55062eq2.jpg "/> حيث C e هي تركيز توازن كثف في حل (مكرومول / 100 مل)، ف ه هو مقدار المعادن كثف في غرام من المازة في التوازن (مكرومول / ز)، د م هو الحد الأقصى النظري القدرة تغطية أحادي الطبقة من المازة (مكرومول / ز)، و k هو ثابت الأيسوثرم انجميور (100 مل / مكرومول). لا يتم تقييد الأيسوثرم فروندليتش من الافتراضات المطلوبة في نموذج انجميور. بدلا من ذلك، فهو يصف عملية الامتزاز المادية التي يمكن تطبيقها على الماصة مع الأسطح غير المتجانسة. وتتميز مواقع الامتزاز، موزعة في جميع أنحاء سطح مكثف، بحسب الانتماءات المختلفة للكثف، في حين أن المواد كثف تشكل أكثر من طبقة واحدة على سطح مكثف. وفروندليتشوأعرب عن نموذج رياضيا على النحو التالي: حيث K و و n هي الثوابت الأيسوثرم فروندليتش الموافق قدرة الامتصاص وشدة الامتصاص، على التوالي. أخيرا، يفترض نموذج Temkin أن الحرارة امتصاص كل جزيئات من طبقة يقلل خطيا مع التغطية بسبب التفاعلات مكثف كثف، في حين يتم توزيع الطاقات ملزمة بشكل موحد. يتم التعبير عن نموذج Temkin بالمعادلة التالية: حيث R هو ثابت الغاز العالمي (8.314 J / مول / K)، T هو الدرجة الحرارة ه (K)، ΔQ هو الاختلاف من الطاقة الامتزاز ((J / مول) ∙ (ز / مكرومول))، وك 0 هو الأيسوثرم التوازن Temkin ملزمة ثابت (100 مل / مكرومول). كانت قيم معاملات لجميع النماذج التطبيقية على أساس احتساب الأيسوثرم تآمر الامتزاز (الشكل 4A) وأشكال خطية من المعادلات انجميور، فروندليتش، وTemkin (الشكل 4B-4D). ، جنبا إلى جنب مع المعادلات الخطية، يتم عرض القيم معامل في الجدول 1. وأخيرا، تم عرض مقارنات بين البيانات التجريبية والأيسوثرم الامتزاز النظرية ني 2+ على مواد تفعيلها للنماذج الامتزاز الثلاثة المختلفة في الشكل (5). وبناء على كفاف من الرسوم البيانية وارتفاع القرب من النتائج التجريبية لمنحنيات الأيسوثرم النظرية، تم التحقق من أن حديثا لالمواد الماصة ميد يمكن استخدامها بشكل فعال باعتباره مكثف ني 2+. وبمقارنة نتائج المجهزة المعروضة في الشكل 5A و5B، فضلا عن معاملات الانحدار (ص 2) لانجميور وفروندليتش نماذج (الجدول 1)، فمن الواضح أن معادلة انجميور هي التي تصف أفضل البيانات التجريبية. وهذا يعني أن امتصاص أيونات النيكل 2+ على المواد المحولة هو امتصاص أحادي الطبقة وطبيعتها هي أن عملية بالكيماويات. من أجل مواصلة تحليل طبيعة امتصاص التحقيق، حاولنا أيضا لتتناسب مع نموذج Temkin إلى البيانات التجريبية. من الرسم البياني هو مبين في الشكل 5C وارتفاعه R 2 (الجدول 1)، فمن الواضح أن النموذج Temkin أيضا يناسب البيانات التجريبية بشكل جيد. واستنادا إلى القيم الإيجابية للاختلافالطاقة الامتزاز (ΔQ)، فإنه يمكن استنتاج أن الامتزاز هو طارد للحرارة. الشكل 1: استخراج حمض الخليك. تركيز القاعدة، الكالسيوم، والمغنيسيوم، وسي في الحلول العصارة (الخطوة الأولى، الخطوة الثانية، وفي المجموع) الناتجة عن التفاعل بين حمض الخليك والأرض، حبيبات BF الخبث عند 30 درجة مئوية، 1000 دورة في الدقيقة ولمدة 60 دقيقة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 2: كربونات الكالسيوم رواسب. (أ) تكوين راسب كربونات، أعرب في نسبة وزن لكل عنصر، وتطبيع د لمجموع 100٪. الرسم البياني (ب) حيود الأشعة السينية من راسب بعد كربونات. حجم التوزيع (ج) الجسيمات من راسب بعد كربونات. مستنسخة من دي كروم وآخرون. 6 بإذن من السيفير (3879261230348). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل (3): المواد تحويل المياه الحارة. (أ) تكوين المواد تحويل المياه الحارة، أعرب في نسبة وزن لكل عنصر، تطبيع مجموعه 100٪. الرسم البياني (ب) حيود الأشعة السينية من المواد تحويل المياه الحارة. (ج) متوسط توزيع حجم الجسيمات من المواد تحويل المياه الحارة.كوم / ملفات / ftp_upload / 55062 / 55062fig3large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 4: الأيسوثرم الامتزاز. (أ) البيانات الامتزاز الأيسوثرم ني 2+ على المواد الأنظف الزيوليت قبل وبعد تعديل درجة الحموضة. (ب – د) تركيب البيانات التجريبية للنماذج الامتزاز انجميور، فروندليتش، وTemkin خطي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الرقم 5: التجارب ومحاكاة القرب البيانات. المقارنة بين البيانات التجريبية (على سبيل المثالع) والأيسوثرم محاكاة الامتزاز (أحسب) ني 2+ على المواد الأنظف الزيوليت وفقا ل(أ) انجميور، (ب) فروندليتش، و (ج) نماذج Temkin. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. المعادلات الخطية معاملات غير معدلة تعديل انجميور المعادلة D م 196.08 196.08 ك 0.174 0.0851 </t> R 2 0.997 0.993 فروندليتش المعادلة ن 2.50 2.13 ك و 26.50 17.64 R 2 0.840 0.893 Temkin المعادلة Δ س 102.30 93.99 ك 0 9.97 3.58 R 2 0.998 0،978 <p class="jove_content" fo:keep-together.within-الصفحة = "1"> الجدول 1: الامتزاز المعلمات الأيسوثرم لامتصاص ني 2+ على المواد الأنظف الزيوليت. معادلات، والمعلمات المجهزة من، نماذج الامتزاز انجميور، فروندليتش، وTemkin خطي.

Discussion

على الرغم من أن كربونات غير المباشرة 7 و 8 و تحويل المائية 9 و 10 من الخبث BF تم بحثها على نطاق واسع عمليات منفصلة، واقتران من أجل تخليق التكافلية من PCC والمعادن الأنظف الزيوليت تم مؤخرا اقترح فقط 5، ويتم تقديم منهجية هنا في التفاصيل. الخطوة الأكثر أهمية في عملية هي كافية (شبه الكامل) استخراج الكالسيوم والرشح محدود من السليكا والألومنيوم من الخبث BF خلال مرحلة الاستخراج. كمية عالية من الكالسيوم في العصارة يؤمن نسبة عالية من تركيب PCC بعد الكربنة ويمنع توليد كميات كبيرة من مراحل غير مرغوب فيها (على سبيل المثال، tobermorite، hydrogarnet (كا 3 آل 2 (شافي 4) 3-ص (OH) 4Y) ) من بين المنتجات تحويل المياه الحارة 9. على اله ومن ناحية أخرى، والحفاظ على الجزء الأكبر من سي و آل في مخلفات ما بعد استخراج الصلبة من أهمية دور فعال لتشكيل المعادن الأنظف الزيوليت.

تحقيقا لهذه الغاية، من بين عدة extractants التحقيق في الأدب 7، 8، 10، 11، 34، 35، 36، وقد تم اختيار حامض الخليك والأكثر مناسبة للالهدف من هذه الدراسة. يسبب الوكيل استخراج معين الإفراج عن كميات عالية من الكالسيوم من الخبث إلى الحل، مع ضمان الإبقاء على أكبر جزء من سي و آل في المخلفات الناتجة عن ذلك. هذا يشجع على تكوين الموازي للجنة التخطيط والتنسيق والزيوليت. وكانت نسبة المولي حمض الخليك إلى الكالسيوم المستخدمة في كل خطوة استخراج 2: 1 (استنادا إلى كتلة من الخبث، ومحتوى الكالسيوم من الخبث، وعشرحجم البريد من محلول حمض الخليك)، وهذا يعني أن نسبة مجموع أكثر من خطوات استخراج كانت 4: 1. منذ خلات الكالسيوم لديها نسبة خلات إلى الكالسيوم من 2: 1، ومضاعفة تم استخدام كمية متكافئة، كما كان يرى ضرورة تشيانغ وآخرون. 5

من أجل الحد من وجود الشوائب غير المرغوب فيها في PCC ولدت، يجب أن يخضع الحل الارتشاح لمزيد من تنقية قبل أن المشروبات الغازية. هذا هو آخر بدعة عملية تكافلية المقترحة. في وقت سابق من العمل، ونوعية PCC (نقاء الكيميائية، التركيب المعدني، وحجم الجسيمات والشكل) قد تأثرت سلبا الشوائب. لجنة التخطيط والتنسيق تصنيعه يمكن تصنيفها على أنها حشو ورقة، يجب أن تتحقق معايير معينة. ينبغي أن تتسم المجلس المركزي الفلسطيني التي تنتجها نقاء الكيميائية عالية (دقيقة 98٪ بالوزن الكالسيوم)، الهيكل المعدني متجانسة، صغير متوسط حجم الجسيمات، وحجم الضيق توزيع 6. كما وردت في ممثل النتيجةق قسم، العملية المقترحة تتيح هذه الخصائص. كربونات المترسبة هي عالية النقاء ويحتوي على نسبة الكالسيوم 98.1٪ بالوزن (الشكل 2A).

أدى تعظيم الاستفادة من عملية التحويل المائية في إنتاج مادة مع القدرة على القيام بدور مكثف المعادن الثقيلة. وقدم الأمثل من خلال إيجاد أنسب مجموعة من درجة الحرارة، وتركيز هيدروكسيد الصوديوم، وفترة رد الفعل. Tobermorite هي واحدة من مراحل المعدنية غير المرغوب فيها التي يمكن أن تشكل، التركيب البلوري الطبقات لها يؤدي إلى انخفاض مساحة محددة 39، سمة هامة للمواد ماصة، على الرغم من وأفادت التقارير أن tobermorite يمكن أن تكون بمثابة المواد الماصة من خلال آلية التبادل الأيوني 40. ومع ذلك، فإن المرحلة المعدنية التي تهيمن على المواد المحولة في هذه الدراسة، في ظل ظروف مثلى، هو أن من analcime (الشكل 3B). وهو الزيوليت التي ذكرت لديك ملحوظة المعادن الثقيلة سعة الامتزاز 41 و 42 و بالتالي يمكن استخدامها لإزالة الملوثات السامة من مياه الصرف الصحي، كما هو مبين في هذه الوثيقة.

وكان التحقيق في احتمال استخدام هذه المواد باعتبارها مواد ماصة لإزالة النيكل من المياه. وقد سيطر على مستويات الحموضة من الحلول الملوثة صناعيا إعداد ني 2+ إلى 4-5 أثناء الاختبار، لأول مرة، لمنع تفكك المواد في البيئة الحامضية الأولية من الحل الاصطناعية، وثانيا، لضبط درجة الحموضة إلى وعادة ما وجد مستوى في ظروف معالجة المعادن الثقيلة 43. ثلاثة نماذج الأيسوثرم مختلفة، وهي انجميور، فروندليتش، وTemkin طبقت من أجل تميز عمليات الامتزاز (الأرقام 4 و 5)، مع نموذج انجميور يبرهن على أنه الأنسب. وتجدر الإشارة إلى أن مد م تقدر ATTRIButed إلى توازن غير المعدلة حلول مكثف كثف هي أعلى من تلك المقابلة لحلول التوازن بعد التعديل. ويفسر هذا الارتفاع في درجة الحموضة التي تحدث خلال ردود الفعل الامتصاص التي تحدث في الحل حتى يصل توازنها. الرقم الهيدروجيني العالي (> 5) يسبب النيكل لترسيب كما ني (OH) 2، وفقا لنماذج الجيوكيميائية والدراسات التجريبية التي كتبها سانتوس وآخرون. 44، والتي بدورها تضخيم قيمة D م. هذا النوع من المعادن الثقيلة لا ينبغي أخذها في الاعتبار مثل سعة الامتزاز الفعلية من المواد التي تم اختبارها. في محاولة لتجنب مثل هذه القياسات متحيزة، ودرجة الحموضة من حل مكثف كثف معايرتها أعيد تعديلها إلى 5.0 ~ بإضافة قطرات من حامض الهيدروكلوريك المركز. قيم أقل ف ه (الشكل 4A)، وبالتالي، ني تقدير امتصاص أكثر تحفظا من حل تعديل درجة الحموضة، وبالتالي يمكن أن يكون سbtained.

الأساليب المذكورة في هذه الوثيقة لديها القدرة على تكييفها لاستغلال مواد أخرى كمصادر من الكالسيوم، القاعدة، وسي لتركيب PCC والزيوليت. مواد أخرى محتملة من خبث الفرن يمكن أن تشمل الخبث صناعة الصلب، رماد الحرق والتعدين ومخلفات معالجة المعادن والبناء ومخلفات الهدم والمعادن الطبيعية، وما إلى ذلك ليس كل هذه المواد تحتوي على نفس النسب من الكالسيوم، القاعدة، وسي كما الخبث BF (وهو ما يجعل BF الخبث جاذبية خاصة)، ولكن على الرغم من ذلك، فإنها يمكن أن يزال من الممكن استخدامها لإنتاج PCC، الزيولايت، أو غيرها من المنتجات المشتقة المعدنية (على سبيل المثال، يجمع 45 أو البوز ولانية المواد) من خلال تقنيات معالجة مماثلة (مزيج من استخراج، الأمطار و / أو تحويل المواد الكيميائية). أيضا، يجب أن يتم اختبار المواد الأنظف الزيوليت المنتجة من الخبث BF أو المعادن الأخرى لغيرها من مياه الصرف الصحي أو العلاج التطبيقات، كما لديهم على الأرجح ADSOالقدرة rption للمعادن الثقيلة الأخرى، مثل الكادميوم والرصاص، والزنك 46. الاقتصاد (الحاجة لدفع ثمن المواد البكر مقابل تجنب رسوم التخلص من النفايات، أو العائد المالي على الاستفادة من المنتجات لاألعلى أو أدنى قيمة للتطبيقات) يجب ان تلعب دورا في تحديد وسيطة المعدنية مناسبة. وينبغي أيضا النظر استبدال مدخلات عملية أخرى (حامض الخليك، وهيدروكسيد الصوديوم، وثاني أكسيد الكربون المركزة 2) من خلال بدائل أقل تكلفة أو أكثر قابلة للاسترداد بسهولة لتحسين تكاليف التجهيز.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ونحن نعترف الدعم للبحوث المقدمة من موظفي المختبرات من شيريدان الكيميائية والمختبرات البيئية، ولا سيما Jaspreet Chandla، Nausheen زهرة، مايك Ovas، ايرين ساتون، ودانييل لياو. EG أيضا شاكرين اقتران عمداء تيري دافيسون وديف Wackerlin لاستضافة له في شيريدان. الدعم المالي من تيري دافيسون والدكتور ايان مكناب، عميد كلية العلوم والتكنولوجيا التطبيقية في شيريدان، كما تقدر. كانت ATS شركة العلم، الآلات Quantachrome، ومالفيرن الآلات كريمة في المساعدة على امتصاص النتروجين وحجم الجسيمات يحلل.

Materials

Acetic acid (CH3COOH) Caledon Laboratories 1000-1-29 Glacial (≥99.7%).
Autoclave reactor Parr 4525-T-HC-M(HC) One liter volume, equipped with dual turbine impeller, baffle and electric heating jacket.
Blast Furnace (BF) slag ArcelorMittal – Granulated BF Slag from Ghent (Belgium); Pelletized BF Slag from Hamilton (Canada).
Carbon dioxide (CO2) Praxair TBC Industrial grade (99.5%).
Centrifugal Mill Retsch ZM100 0.50mm sieve.
Centrifuge Thermo Electron IEC CL30 To separate solids from liquids.
Ecoclave reactor Büchi Type 3E One liter volume, equipped with turbine impeller, baffle and electric heating jacket.
Filter paper Fisher Scientific P8 (09-795F) Porosity: coarse; flow rate: fast.
Hydrochloric acid (HCl) Caledon Laboratories 6025-1-29 Reagent grade (36.5%-38.0%).
Incubator New Brunswick Scientific I 24 Orbital shaker with temperature control.
Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS) Thermo Electron X Series To determine the concentration of Al, Ca, Mg and Si in the post-extraction leachates and post-carbonation liquid medium.
Inductively Coupled Plasma Optical Emissions Spectrometer (ICP-OES) PerkinElmer Optima 8300 To determine the concentration of Ni in the post-centrifuged equilibrated adsorbent-adsorbated leachate.
Laser Diffraction Analysis (LDA) Malvern Mastersizer 3000 To measure the average particle size diameter and particle size distribution (PSD) of the solids.
Microbalance Sartorius Quintix224-S1 Four decimals.
Ni standard solution Perkin Elmer N9300136 Concentration of 1000mg/1000ml.
Nitric acid (HNO3) Caledon Laboratories 7525-1-29 Reagent grade (68.0%-70.0%).
Oven Fisher Scientific Isotemp oven 105°C.
pH meter Fisher Scientific AB15 Calibrated with standard solutions before each set of measurements; temperature corrected to 25°C.
Sodium hydroxide (NaOH) Caledon Laboratories 7871-6-42 Reagent grade (50% W/W).
X-ray Diffraction (XRD) Rigaku MiniFlex 600 To characterize mineralogical properties of adsorbant solids.
X-ray Fluorescence (XRF) PANalytical Zetium To characterize chemical composition of solids.
Nitrogen Adsorption Quantachrome NOVAtouch  To characterize specific surface area, pore volume and mean pore diameter of solids.
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Stolaroff, J. K., Lowry, G. V., Keith, D. W. Using CaO- and MgO-rich industrial waste streams for carbon sequestration. Energ. Convers. Manage. 46, 687-699 (2004).
  2. Bobicki, E. R., Liu, Q., Xu, Z., Zeng, H. Carbon capture and storage using alkaline industrial wastes. Prog. Energy Combust. Sci. 38, 302-320 (2011).
  3. Sanna, A., Dri, M., Hall, M. R., Maroto-Valer, M. Waste materials for carbon capture and storage by mineralisation (CCSM) – A UK perspective. Appl. Energy. 99, 545-554 (2012).
  4. Bodor, M., Santos, R. M., Van Gerven, T., Vlad, M. Recent developments and perspectives on the treatment of industrial wastes by mineral carbonation – A review. Cent. Eur. J. Eng. 3 (4), 566-584 (2013).
  5. Chiang, Y. W., Santos, R. M., Elsen, J., Meesschaert, B., Martens, J. A., Van Gerven, T. Towards zero-waste mineral carbon sequestration via two-way valorization of ironmaking slag. Chem. Eng. J. 249, 260-269 (2014).
  6. De Crom, K., Chiang, Y. W., Van Gerven, T., Santos, R. M. Purification of slag-derived leachate and selective carbonation for high-quality precipitated calcium carbonate synthesis. Chem. Eng. Res. Des. , 180-190 (2015).
  7. Teir, S., Eloneva, S., Fogelholm, C. -. J., Zevenhoven, R. Dissolution of steelmaking slags in acetic acid for precipitated calcium carbonate production. Energy. 32 (4), 528-539 (2007).
  8. Eloneva, S., Teir, S., Salminen, J., Fogelholm, C. -. J., Zevenhoven, R. Fixation of CO2 by carbonating calcium derived from blast furnace slag. Energy. 33 (9), 1461-1467 (2008).
  9. Sugano, Y., Sahara, R., Murakami, T., Narushima, T., Iguchi, Y., Ouchi, C. Hydrothermal synthesis of zeolite A using blast furnace slag. ISIJ Int. 45, 937-945 (2005).
  10. Kuwahara, Y., Ohmichi, T., Kamegawa, T., Mori, K., Yamashita, H. A novel conversion process from waste slag: synthesis of a hydrotalcite-like compound and zeolite from blast furnace slag and evaluation of adsorption capacities. J. Mater. Chem. 20, 5052-5062 (2010).
  11. Murakami, T., Sugano, Y., Narushima, T., Iguchi, Y., Ouchi, C. Recovery of calcium from BF slag and synthesis of zeolite A using its residue. ISIJ Int. 51, 901-905 (2011).
  12. Davis, R. J. New perspectives on basic zeolites as catalysts and catalyst supports. J. Catal. 216 (1-2), 396-405 (2003).
  13. Primo, A., Garcia, H. Zeolites as catalysts in oil refining. Chem. Soc. Rev. 43, 7548-7561 (2014).
  14. Vaiana, R., Iuele, T., Gallelli, V. Warm Mix asphalt with synthetic zeolite: A laboratory study on mixes workability. Int. J. Pavement Res. Technol. 6 (5), 562-569 (2013).
  15. Handayani, A. T., Setiaji, B. H., Prabandiyani, S. The Use of Natural Zeolite as an Additive in Warm Mix Asphalt with Polymer Modified Asphalt Binder. Int. J. Eng. Res. Africa. 15, 35-46 (2015).
  16. Jana, D. A new look to an old pozzolan, clinoptilolite – a promising pozzolan in concrete. , 168-206 (2007).
  17. Valipour, M., Pargar, F., Shekarchi, M., Khani, S. Comparing a natural pozzolan, zeolite, to metakaolin and silica fume in terms of their effect on the durability characteristics of concrete: A laboratory study. Constr. Build. Mater. 41, 879-888 (2013).
  18. Tomasevic-Canovic, M. Purification of natural zeolite-clinoptilolite for medical application-Extraction of lead. J. Serb. Chem. Soc. 70 (11), 1335-1345 (2005).
  19. Andronescu, E., Grigore, F., Tardei, C., Stefan, E. Natural zeolites with medical applications–preliminary preparation and characterization. Rev. Med. Chir. Soc. Med. Nat. Iasi. 110 (1), 236-241 (2006).
  20. Rhee, P., et al. QuikClot use in trauma for hemorrhage control: case series of 103 documented uses. J. Trauma. 64 (4), 1093-1099 (2008).
  21. Mumpton, F. A. . Using zeolites in agriculture. Innovative Biological Technologies for Lesser Developed Countries. , (1985).
  22. Mumpton, F. A. La roca magica. Uses of natural zeolites in agriculture and industry. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 96 (7), 3463-3470 (1999).
  23. Ramesh, K., Reddy, D. D., Biswas, A. K., Rao, A. S. Zeolites and Their Potential Uses in Agriculture. Adv. Agron. 113, 215-236 (2011).
  24. Gholikandi, G. B., Baneshi, M. M., Dehghanifard, E., Salehi, S., Yari, A. R. Natural Zeolites Application as Sustainable Adsorbent for Heavy Metals Removal from Drinking Water. Iran. J. Toxicol. 3, 302-310 (2010).
  25. Wang, S., Peng, Y. Natural zeolites as effective adsorbents in water and wastewater treatment. Chem. Eng. J. 156 (1), 11-24 (2010).
  26. Shoumkova, A. Zeolites for water and wastewater treatment: An overview. 2011 Research Bulletin of the Australian Institute of High Energetic Materials. 2, 10-70 (2011).
  27. Chiang, Y. W., Ghyselbrecht, K., Santos, R. M., Meesschaert, B., Martens, J. A. Synthesis of zeolitic-type adsorbent material from municipal solid waste incinerator bottom ash and its application in heavy metal adsorption. Catal. Today. 190 (1), 23-30 (2012).
  28. Shevade, S., Ford, R. G. Use of synthetic zeolites for arsenate removal from pollutant water. Water Res. 38 (14-15), 3197-3204 (2004).
  29. Erdem, E., Karapinar, N., Donat, R. The removal of heavy metal cations by natural zeolites. J. Colloid Interface Sci. 280 (2), 309-314 (2004).
  30. Ruggieri, F., Marín, V., Gimeno, D., Fernandez-Turiel, J. L., García-Valles, M., Gutierrez, L. Application of zeolitic volcanic rocks for arsenic removal from water. Engin. Geol. 101 (3-4), 245-250 (2008).
  31. Terdkiatburana, T., Wang, S., Tadé, M. O. Adsorption of heavy metal ions by natural and synthesized zeolites for wastewater treatment. Int. J. Environ. Waste. Manag. 3 (3-4), 327-335 (2009).
  32. Alexander, G. B., Heston, W. M., Iler, R. K. The solubility of amorphous silica in water. J. Phys. Chem. 58 (6), 453-455 (1954).
  33. Bingham, E., Cohrssen, B. . Patty’s Toxicology. 3, 472 (2012).
  34. Santos, R. M., Chiang, Y. W., Elsen, J., Van Gerven, T. Distinguishing between carbonate and non-carbonate precipitates from the carbonation of calcium-containing organic acid leachates. Hydrometallurgy. 147-148, 90-94 (2014).
  35. Bonfils, B., Julcour-Lebigue, C., Guyot, F., Bodénan, F., Chiquet, P., Bourgeois, F. Comprehensive analysis of direct aqueous mineral carbonation using dissolution enhancing organic additives. Int. J. Greenhouse Gas Control. 9, 334-346 (2012).
  36. Eloneva, S., et al. Reduction of CO2 emissions from steel plants by using steelmaking slags for production of marketable calcium carbonate. Steel Res. Int. 80 (6), 415-421 (2009).
  37. Santos, R. M., Van Bouwel, J., Vandevelde, E., Mertens, G., Elsen, J., Van Gerven, T. Accelerated mineral carbonation of stainless steel slags for CO2 storage and waste valorization: effect of process parameters on geochemical properties. Int. J. Greenhouse Gas Control. 17, 32-45 (2013).
  38. Tsutsumi, T., Nishimoto, S., Kameshima, Y., Miyake, M. Hydrothermal preparation of tobermorite from blast furnace slag for Cs+ and Sr2+ sorption. J. Hazard. Mater. 266, 174-181 (2014).
  39. Komarneni, S. Heavy metal removal from aqueous solutions by tobermorites and zeolites. Nucl. Chem. Waste Manage. 5, 247-250 (1985).
  40. Rachkova, N. G., Shuktomova, I. I. Sorption of U(VI) and Ra from aqueous solutions with analcime-containing rock. Radiochemistry. 52 (1), 76-80 (2010).
  41. Hegazy, E. Z., Hamdy, I., Abo El Enin, R. M. M. Preparation and characterization of Ti and V modified analcime from local kaolin. Appl. Clay Sci. 49 (3), 149-155 (2010).
  42. Chiang, Y. W., et al. Strategic selection of an optimal sorbent mixture for in-situ remediation of heavy metal contaminated sediments: Framework and case. J. Environ. Manage. , 1-11 (2012).
  43. Santos, R. M., Mertens, G., Salman, M., Cizer, &. #. 2. 1. 4. ;., Van Gerven, T. Comparative study of ageing, heat treatment and accelerated carbonation for stabilization of municipal solid waste incineration bottom ash in view of reducing regulated heavy metal/metalloid leaching. J. Environ. Manage. 128, 807-821 (2013).
  44. Bodor, M., et al. Laboratory investigation of carbonated BOF slag used as partial replacement of natural aggregate in cement mortars. Cem. Concr. Compos. 65, 55-66 (2016).
  45. Chiang, Y. W., Santos, R. M., Vanduyfhuys, K., Meesschaert, B., Martens, J. A. Atom-Efficient Route for Converting Incineration Ashes into Heavy Metal Sorbents. Chem. Sus. Chem. 7, 276-283 (2014).

Tags

Blast Furnace SlagPrecipitated Calcium CarbonateZeolitic Heavy Metal AdsorbentIndirect CarbonationValorizationAcetic Acid ExtractionCentrifugationSodium HydroxideCO2 StorageHeavy Metal Adsorption

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Georgakopoulos, E., Santos, R. M., Chiang, Y. W., Manovic, V. Two-way Valorization of Blast Furnace Slag: Synthesis of Precipitated Calcium Carbonate and Zeolitic Heavy Metal Adsorbent. J. Vis. Exp. (120), e55062, doi:10.3791/55062 (2017).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image