压力场下赤泥钙化水热脱碱耦合动力学与数值模拟

The strong alkalinity of red mud is the key to restrain the efficient comprehensive utilization for building materials. The prerequisite and foundation of efficient comprehensive utilization for red mud is to increase the dealkalization rate and active comment of residue from red mud. The dealkalization with calcium from red mud was a suitable technology, in which low dealkalization rate and active comment of residue were still existed. The key to solve this problem is the mechanism of the red mud and calcium base displacement agent, replacement diffusion and coupling kinetics theory. The basic research of dealkalization was investigated by using comprehensive experiment, theoretical analysis and numerical simulation method in term of diffusion and chemical reaction according to the technology of hydrothermal calcification. The specific research idea is that the existence of alkali in red mud was firstly analyzed. Secondly, calcium base leaching reagents were screened. Finally, the existence of alkali in the leaching residue was contrasted to expound the mechanism of the dealkalization. The "particle tracer technology" and retract response model (SCM) were used to study the leaching coupling kinetics of mass transfer and chemical characteristics. The software of COMSOL MULTIPHYSICS was also used for numerical simulation of the process, which has provided the theoretical basis for dealkalization from red mud. The investigation of the project has important scientific significance and broad application prospects.

强碱性是限制赤泥大宗利用于建筑材料领域的关键因素，如何最大限度地提高赤泥脱碱率和调控脱碱尾渣的活性成分是赤泥高效综合利用的前提和基础。目前，钙基置换脱碱是较为合适的脱碱技术，但仍存在脱碱效率低和脱碱尾渣活性组分少的问题，解决此问题的关键是探明钙基脱碱药剂与赤泥的作用机理和脱碱溶剂传质-反应耦合动力学理论。本项目以赤泥加压钙化水热脱碱技术为依据，以传质-反应耦合效应为切入点，利用综合实验、理论分析和数值模拟的方法进行基础性研究。具体研究思路为：在分析赤泥中碱赋存状态的基础上，筛选钙基脱碱药剂，探明脱碱尾渣中碱的赋存状态，阐述脱碱药剂与赤泥的作用机理；利用“粒子示踪技术”和未反应收缩核模型（SCM）研究赤泥脱碱过程传质-反应耦合动力学，并采用COMSOL MULTIPHYSICS软件进行数值模拟，为发展和完善赤泥脱碱技术提供理论依据。因此，本项目的研究具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

赤泥是工业生产氧化铝过程中产生的固体废物，赤泥的强碱性会对周围空气、水源、土壤产生了严重的危害，也使得赤泥的综合利用率低，严重制约了自身的资源化利用。因此，本项目采用置换水热浸出赤泥脱碱，筛选出Ca(OH)2、MgCl2为脱碱剂，利用焙烧改性脱碱渣（Ca-RM、Mg-RM），制备固废吸附剂，分别吸附废水中的硫酸根、磷酸根，这不仅实现赤泥的高效脱碱，也实现赤泥的多元化利用。.Ca(OH)2可有效脱除赤泥中的游离碱和结构碱，在Ca(OH)2掺量为60%、反应温度为250 ℃、液固比为8 mL/g、反应时间为60min的条件下，赤泥脱碱率可达到96.3%。脱碱过程受固膜内扩散关键步骤控制，特征常数n<1，表观活化能为5.20 kJ/mol。MgCl2水热浸出可实现对赤泥的选择性脱碱，在浸出温度为250°C、MgCl2掺量为60%、液固比为9mL/g、反应时间为60min的条件下，脱碱率可达92%。脱碱过程主要受化学反应控制，表观活化能为38.1kJ/mol。通过焙烧活化Ca-RM制备硫酸根固体吸附剂，提高了对硫酸根的吸附性能。Ca-RM-800在吸附硫酸根的过程无需调节pH，在投加量为0.8g、焙烧温度为800℃、硫酸根浓度为700mg/L，Ca-RM-800对硫酸根的去除率为97.54%，溶液中剩余硫酸根浓度小于50mg·L-1。Ca-RM-800吸附受多种机制控制，化学反应是主要机制。Ca-RM-800吸附硫酸根的过程符合Langmuir模型和准二级动力学，饱和吸附量为67.54mg·g-1。通过活化焙烧Mg-RM制备回收磷酸盐的固废吸附剂，实现了废水中磷酸盐的有效回收。在溶液初始pH为3、投加量为1.2g、焙烧温度为600℃、磷酸盐浓度为20mg/L，磷酸盐的去除率为97.6%，满足《污水综合排放标准》一级A类水质标准。 Mg-RM-600吸附磷酸盐更符合Langmuir模型和准二级动力学模型，表明吸附过程主要受化学反应控制，理论饱和吸附量为17.3mg·L-1。.通过本项目的研究，分析了赤泥中碱及有价组分的存在形式、分布规律及与杂质元素的嵌布关系，阐述了脱碱过程的宏观浸出动力学特征差异。探究了不同类型脱碱渣处理工业废水的新途径，为赤泥高效脱碱和综合利用提供了重要的理论支撑。