诱导结晶工艺机理及其处理混合重金属废水研究

For the increasingly serious situation of heavy metal pollution, the induced crystallization process has attracted the widespread attention due to its high efficiency and secondary pollution, in addition, its crystalline product is easy to be recycled. With the growing complex trend of the pollution, the applicability of induced crystallization process is restricted. This study investigates the procedure of the induced crystallization under different crystallization systems and induced conditions, as well as the analysis for the composition of crystallization product, revealing the close relationships between environmental conditions and the structure composition of induced crystal, as well as the crystal appearance and crystal habit, which provide base for the rational optimization of process parameters and the effective recovery of the crystalline product;through the investigation of the formation of the induced crystal in the different nucleation system, revealing the nucleation affect on the growth and development of the crystal, in addition, to lay the foundation for the efficient and stable operation of the reactor. In combination of the recognition of induced crystallization mechanism, and the study on the differences for the formation conditions of the induced crystal of different heavy metal in fluidized bed reactors, to clarify the correlation between the conditions control and the choice of crystallization, to achieve the order of crystallization with wastewater of mixed heavy metal by using multi-stage fluidized bed reactors. This lays the foundation for the disposal of harmless and resources of heavy metals.

面对重金属污染日益严峻的形势，诱导结晶工艺因效率高、不产生二次污染、结晶产物易于回收利用，而受到广泛关注。随着污染态势的日趋复杂，诱导结晶工艺的适用性受到局限。本研究拟通过对不同沉淀体系中，不同条件下，诱导结晶过程的考察以及结晶产物的组成分析，揭示环境条件与诱导晶体结构组成、晶貌晶习的密切联系，为工艺参数的合理优化，结晶产物的有效回收提供依据；通过考察不同的成核方式下诱导晶体的形成，揭示不同成核方式对晶体生长发育的影响，丰富诱导结晶理论，为反应器的高效稳定运行奠定基础。结合对诱导结晶机理的认识，及流化床反应器中不同重金属诱导晶体形成条件的差异研究，阐明条件控制与选择结晶的相关关系，利用多级流化床反应器，实现混合重金属污废水的顺序结晶。为重金属无害化、资源化处置奠定基础。

随着我国社会经济的快速发展，对资源的需求不断增加，矿山开采、金属冶炼以及金属加工等相关行业的迅速扩张，重金属污染问题日益凸显。近年来，以诱导结晶为基础的处置技术将无害化与资源化结合，一方面通过结晶过程完成重金属污染物转移去除；另一方面将生长后含重金属的晶种进行回收利用实现污染的资源化处置，大幅降低处理成本。该技术契合可持续发展的大战略，成为国际上的研究热点。本研究通过对碳酸盐、硫化物沉淀体系诱导结晶过程的进行深入研究，对不同结晶系统过饱和指数进行估算，为准确评估过饱和度对结晶系统的影响,以及判断结晶体系的成核方式提供依据；通过不同诱导条件下,系统去除效率，微晶产率以及结晶产物类型特征相关关系的研究, 识别影响结晶系统高效运行的限制性因素；通过CSTR反应器中结晶过程的对比研究，进一步认识不同成核方式下的诱导结晶过程。. 研究发现, 以流化床为基础的诱导结晶过程, 在本实验条件范围内，铜-碳酸盐、铜-硫化物结晶系统均以均相成核过程为主，系统产生的大量微晶可以快速聚集生长在晶种表面，高过饱和体系依然可以实现反应器的高效去除。研究进步一显示，不同的诱导条件对结晶系统的影响存在差异，碳酸盐系统比硫化物系统更依赖于系统pH的变化，高pH条件下，以碱式碳酸铜结晶为主导的碳酸盐结晶系统将向氢氧化铜，碳酸钙，碳酸镁等的共结晶过程转变，导致出水中微晶大量流出，影响系统稳定运行；高进药（1:3.6）比条件下，结晶产物微观成小球状，宏观上表现为菜花状，其机械强度低，易于破碎脱落，同样将导致系统运行效率大幅下降; 高浓度条件下, 系统实现了高效去除, 500 mg /L的含铜废水, 其去除率可达95%以上，诱导晶种表面致密，平滑，诱导晶体紧密堆积形成放射性簇状，自发成核的晶体有效生长，实现二次成核。研究同时利用CSTR反应器对不同成核过程进行了对比研究，结果显示, 均相成核过程受制于微晶与玻片间传质效率，其在玻片表面的结晶速率较低，形成的结晶产物碱式碳酸铜为颗粒状,尺寸在200-300nm之间, 而非均相成核体系下, 结晶速率可提高3倍, 诱导玻片上形成碱式碳酸铜结晶产物，呈现出明显蒲公英状，晶体尺寸达到了十几个微米以上。 根据结晶机制的研究结果，继续进行了混合离子体系的分离去除研究。通过两级FBR反应器串联，pH等条件控制，实现铜、锌离子的分离去除。