基于机械球磨联合零价铁技术对废弃CRT锥玻璃中铅的去除研究

摘要

阴极射线管(Cathode ray tube，CRT)玻璃是一种数量多且危害大的电子废物，其中CRT锥玻璃(约为CRT总质量的1/3)中PbO的含量达20-25wt％，锥玻璃中铅原子被固定在玻璃网状结构的空穴中，极难通过常规的酸浸方法将其提取出来。零价铁对重金属铅的去除具有极佳的效果，且机械球磨法通过钢球高速撞击产生的剪切力能有效的将锥玻璃分散于纳米颗粒中，两者的结合为锥玻璃的资源化提供了可能。本文介绍了利用机械球磨法联合零价铁在不同条件下对原CRT锥玻璃中铅的浸出影响，具体包括球磨转速、球磨时间、零价铁粒径、零价铁投加量，纳米铁材料类型等。利用XRD、XPS、SEM、XRF、BET、FTIR等对球磨复合材料进行表征分析，回收铅、铁及中间产物钠盐，以酸浸后富硅渣为硅源碱熔法合成沸石。另外，为进一步探究锥玻璃的资源化途径，结合微波萃取的高效性，将锥玻璃转化为富硅上清液，用于沸石分子筛的合成。主要研究结果如下:
　　(1)机械球磨联合零价铁对锥玻璃中铅的浸出具有极大的实用价值，原锥玻璃中铅含量为197.35±0.34mg/g，在相同的酸浸条件下(3mol/L的HNO3溶液，固液比1∶20)铅酸浸百分比为7.11％，经球磨8-96h后铅的最大酸浸百分比提升至36.25％。锥玻璃在与零价铁混合球磨过程中，经FESEM-EDS，SEP，FTIR，XPS表征分析可知，零价铁的高活性使得其有效的破坏原锥玻璃中的Si-O键，一部分被包裹在三维网状结构中的铅脱落出来，也即由原来的残渣态转化为交换态或者碳酸盐结合态，另一部分附着在零价铁的表面转化为铁锰氧化结合态，在热酸条件下大部分被浸出于上清液中。在零价铁投加量为0.5g/g(零价铁/锥玻璃)，球磨转速为375r/min，球磨时间为72h时，锥玻璃中铅的浸出最佳结果达97.76％。
　　(2)在回收阶段，热酸浸出液中含有的的铅，铁，钠等离子可以硫酸铅，氢氧化铁，硝酸钠经硫酸盐沉淀，碱中和，盐蒸发等形式回收，由XRD及SEM分析可知，经处理过后回收得到纯度较高的各阶段回收产物。经最终盐蒸过后，对经回收后热酸液废水中存在的SO42-，NO3-及铅离子检测结果表明最终排水符合国家排放标准(GB3838-2002)，可直接排放。另外，浸出后所得的高硅渣的短期和长期浸出毒性结果表明，经处理后残渣毒性较弱，对周围环境安全可靠。
　　(3)富硅渣碱熔法合成沸石分子筛实验中，晶化时间往往与晶化温度共同作用于沸石分子筛的形成。其中NaA型沸石由于其简单的四元环结构而在较短的晶化时间内完成沸石分子筛的生长。但随着晶化时间的增加，沸石分子筛的晶形会出现由一种向另一种晶形转变的现象。在硅铝比为2∶1，晶化时间为5h，晶化温度为110℃时生成了高离子交换容量的NaA型沸石。
　　(4)微波体系下CRT锥玻璃沸石分子筛的合成实验中，在氢氟酸与微波共同作用下，锥玻璃中SiO2最佳浸出百分比高达88.17％，以此为硅源水溶法合成沸石结果表明:碱度过低不利于沸石分子筛的合成，调节萃取液的pH至13时，随着硅铝比增加沸石晶形由纯度较高的NaA型沸石转化为NaX型沸石，晶形出现多样化。同时由于氢氟酸的弱酸作用，萃取液中铅含量较低，上清液除铅后合成沸石，使得合成沸石分子筛浸出毒性较低。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 CRT玻璃的基本结构

1．1．2 CRT玻璃的组成成分

1．1．3 CRT锥玻璃中重金属特性研究进展

1．2 国内外相关方向研究状况

1．2．1 合成泡沫玻璃

1．2．2 合成混凝土骨料

1．2．3 CRT锥玻璃其它处理技术

1．2．4 CRT锥玻璃中铅的回收

1．2．5 CRT锥玻璃除铅后硅源的应用

1．3 零价铁技术的应用现状

1．3．1 零价铁的性质

1．3．2 零价铁在重金属去除中的应用

1．4 机械球磨法的应用现状

1．5 课题研究内容与技术路线

1．5．1 课题的研究目的及意义

1．5．2 研究内容

第二章 实验材料与方法

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验试剂

2．1．3 主要实验仪器

2．2 实验方法

2．2．1 球磨材料的制备

2．2．2 球磨材料的浸出

2．2．3 富硅残渣合成沸石分子筛

2．2．4 微波萃取锥玻璃合成沸石

2．2．5 材料表征

2．3 重金属的评价方法

2．3．1 锥玻璃中各阶段铅含量

2．3．2 锥玻璃中重金属元素铅的形态分析

2．3．3 锥玻璃中重金属元素铝的毒性浸出

2．3．4 长期浸出方法

第三章 球磨零价铁回收锥玻璃中铅及沸石分子筛合成研究

3．1 引言

3．2 锥玻璃中铅浸出的影响因素

3．2．1 球磨时间对锥玻璃中铅浸出的影响

3．2．2 零价铁投加量对锥玻璃中铅浸出的影响

3．2．3 零价铁粒径对锥玻璃中铅浸出的影响

3．2．4 球磨转速对锥玻璃中铅浸出的影响

3．2．5 纳米铁材料对锥玻璃中铅浸出的影响

3．2．6 X-射线电子能谱(XPS)及傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析

3．2．7 复合材料铅的形态分析

3．3 浸出阶段产物回收

3．3．1 铅、铁及盐的回收

3．3．2 最终排水中铅及阴离子含量分析

3．4 富硅残渣长期浸出和短期浸出毒性分析

3．5 富硅残渣合成沸石分子筛研究

3．5．1 Si／Al摩尔比对沸石生成的影响

3．5．2 晶化温度对沸石生成的影响

3．5．3 晶化时间对沸石分子筛生成的影响

3．6 本章小结

第四章 微波体系下CRT锥玻璃沸石分子筛的合成研究

4．1 引言

4．2 微波体系下沸石分子筛合成研究

4．2．1 微波萃取方法及萃取硅含量分析

4．2．2 碱度对沸石分子筛合成的影响

4．2．3 沸石分子筛合成的其它影响因素

4．2．4 合成沸石的CEC测试

4．3 微波体系下沸石分子筛的浸出毒性

4．4 微波萃取残渣中铅含量分析

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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