桑義敏,田巍,張倩,劉佳,李發(fā)生,谷慶寶*
1.北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程系,北京 102617 2.北京金隅紅樹(shù)林環(huán)保技術(shù)有限責(zé)任公司,北京 100013 3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院土壤污染與控制研究室,北京 100012
含氰黃金尾礦水泥窯資源化共處置的可行性
桑義敏1,3,田巍2,張倩3,劉佳2,李發(fā)生3,谷慶寶3*
1.北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程系,北京 102617 2.北京金隅紅樹(shù)林環(huán)保技術(shù)有限責(zé)任公司,北京 100013 3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院土壤污染與控制研究室,北京 100012
進(jìn)行了水泥窯資源化共處置含氰黃金尾礦試驗(yàn),探討了利用含氰黃金尾礦替代部分水泥原料的可行性,考察了處理后尾礦和排放氣體中氰化物的消解效果。結(jié)果表明,采用黃金尾礦替代部分水泥原料,在物料成分上是可行的。水泥窯中氧氣濃度對(duì)尾礦中氰化物去除效率的影響不大,而處理溫度對(duì)其去除效率有顯著影響,高溫有助于尾礦中氰化物的去除,處理后尾礦中剩余氰化物濃度滿(mǎn)足HJ 350—2007《展覽會(huì)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。氧氣濃度對(duì)排放氣體中氰化物的消解率有一定的影響,氧氣濃度高,則排放氣體中氰化物濃度低,而排放氣體中氰化物濃度基本不受處理溫度的影響??傮w上,氣態(tài)氰化物的消解率均在98%以上,排放氣體中的氰化物濃度滿(mǎn)足GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》和GBZ 2.1—2007《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》的相關(guān)要求。
黃金尾礦;氰化物;水泥窯共處置;資源化
氰化物是黃金工業(yè)的重要浸金藥劑,黃金冶煉行業(yè)涉及到的各種氰化物多為無(wú)機(jī)氰化物。無(wú)機(jī)氰化物為劇毒物質(zhì),可通過(guò)皮膚、口鼻吸入體內(nèi),危害極大。黃金冶煉產(chǎn)生的大量含氰尾礦侵占大面積土地,存在水源和土壤污染的風(fēng)險(xiǎn),廢棄尾礦若管理不善,有可能發(fā)生重大環(huán)境事故,如尾礦壩潰壩、滑坡等[1]。此外,含氰尾礦庫(kù)的修筑和維護(hù)管理也需投入大量資金。因此,從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā),必須對(duì)這些黃金尾礦進(jìn)行處理,避免二次污染;從資源保護(hù)角度出發(fā),對(duì)黃金尾礦進(jìn)行資源化開(kāi)發(fā),可變廢為寶,化害為利。2010年4月,工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、國(guó)土資源部、國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局等相關(guān)部門(mén)發(fā)布了《金屬尾礦綜合利用專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃(2010—2015年)》,黃金尾礦被列入尾礦綜合利用的重點(diǎn)領(lǐng)域。
目前,國(guó)內(nèi)外均有含氰黃金尾礦處理處置的研究報(bào)道[2-4]。其中,采用堿性氯化法處理含氰尾礦的成本偏高,且受氰化物的性質(zhì)和溫度等因素影響,很難保證處理效果[5];壓濾干堆法的處理效果不穩(wěn)定[6];自然降解法在氰化物濃度高時(shí)降解過(guò)程緩慢[7-8];生物處理法存在處理濃度低、承受負(fù)荷小的缺點(diǎn)[9-10]。而利用黃金尾礦砂生產(chǎn)加氣混凝土[11]、微晶玻璃[12]、磚[13-14]、硅酸鹽水泥[15]等建筑材料可大量消納黃金尾礦,不僅可以解決困擾尾礦區(qū)的環(huán)境污染問(wèn)題,同時(shí)還降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。用尾礦生產(chǎn)水泥,主要是利用尾礦中的某些微量元素影響水泥熟料的形成和礦物的組成,包括:1)利用尾礦中含鐵量高的特點(diǎn),以尾礦替代常用水泥配方中的鐵粉;2)用尾礦替代水泥原料中的其他成分[16]。而利用含氰黃金尾礦生產(chǎn)水泥鮮有文獻(xiàn)報(bào)道[17],為此,筆者擬探討利用含氰黃金尾礦替代水泥部分原料成分的可行性,并就水泥窯資源化共處置含氰黃金尾礦過(guò)程中氰化物的消解效果及氣體排放情況開(kāi)展試驗(yàn)研究,一方面通過(guò)熱處理試驗(yàn)測(cè)試尾礦中氰化物的消解率,另一方面對(duì)熱處理過(guò)程揮發(fā)出的氣體進(jìn)行收集監(jiān)測(cè),了解排放氣體中氰化物的濃度,以期為氰化物污染尾礦的水泥窯資源化共處置提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參考。
黃金尾礦中的氰化物主要以氫氰酸,堿金屬和銨的氰化物,重金屬氰絡(luò)合物,以及與堿金屬、堿土金屬、重金屬鹽離子反應(yīng)生成的重金屬氰絡(luò)合物或氰絡(luò)物復(fù)鹽等幾種形式存在。氰化物及氰化氫均不穩(wěn)定,易分解,當(dāng)溫度大于60 ℃時(shí)分解加快,其可能的反應(yīng)過(guò)程為[18-19]:
CN-+2H2O→HCOO-+NH3
(1)
3HCN→(HCN)3
(2)
HCN+0.5O2→HCNO
(3)
HCN+H2O→HCOONH4→NH3+HCOOH
(4)
因此,在有氧氣、水蒸汽的條件下,氰化物(包括氰化氫)可以通過(guò)加熱方式發(fā)生以上反應(yīng),從而達(dá)到降解的目的。但在加熱過(guò)程中,尾礦中吸附的某些氰化物會(huì)以氣體形式進(jìn)入尾氣,如果能保證尾氣中氰化物濃度達(dá)到相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)要求,則可采用水泥窯資源化共處置的方式處理黃金尾礦,利用水泥窯生產(chǎn)過(guò)程中的熱能及有效氣體成分分解氰化物,可以達(dá)到降低水泥生產(chǎn)和尾礦處理成本的效果。
2.1 儀器設(shè)備與試驗(yàn)耗材
設(shè)備與儀器:滾筒式回轉(zhuǎn)窯設(shè)備(圖1),大氣采樣器,二氧化碳?jí)嚎s氣體進(jìn)樣器,分壓表,空氣過(guò)濾器,氣體干燥器,尾氣收集裝置,集塵器。
1—進(jìn)料口;2—排氣管;3—加熱元件;4—滾筒;5—出料口;6—溫度控制按鈕;7—實(shí)際溫度顯示;8—頻率調(diào)節(jié)按鈕;9—控制面板開(kāi)關(guān);10—出氣口;11—二氧化碳?jí)嚎s瓶。
藥劑與材料:優(yōu)級(jí)純NaOH,優(yōu)級(jí)純HCl,二氧化碳?jí)嚎s氣體。含氰黃金尾礦取自我國(guó)北方某城市周邊尾礦庫(kù),其中氰化物濃度為4.41 mgkg。
2.2 試驗(yàn)步驟
2.2.1 樣品預(yù)處理
將采集的黃金尾礦于干燥陰涼處密封保存。開(kāi)始試驗(yàn)前,將待處理尾礦混合均勻(避免光照及空氣對(duì)流),采用四分法取樣待測(cè)。在此過(guò)程中,必須盡量減少尾礦樣品的空氣暴露時(shí)間,并避免人體直接接觸。
2.2.2 水泥窯共處置試驗(yàn)過(guò)程
每次取2 kg尾礦于滾筒式回轉(zhuǎn)窯設(shè)備中進(jìn)行水泥窯共處置試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始前,要進(jìn)行設(shè)備的空運(yùn)行,以檢查設(shè)備系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)和運(yùn)行狀況。正式試驗(yàn)時(shí),首先打開(kāi)設(shè)備電源,設(shè)定回轉(zhuǎn)窯裝置的運(yùn)行參數(shù)。在水泥窯共處置過(guò)程中,設(shè)備要經(jīng)過(guò)升溫、工作、排料等階段。當(dāng)設(shè)備達(dá)到工作溫度時(shí),尾礦樣品從進(jìn)料口進(jìn)入滾筒式回轉(zhuǎn)窯裝置,在滾筒內(nèi)折板的攪拌作用下物料均勻受熱,通過(guò)調(diào)節(jié)滾筒的傾角和轉(zhuǎn)速來(lái)控制物料在回轉(zhuǎn)窯中的停留時(shí)間。滾筒式回轉(zhuǎn)窯設(shè)備帶有自動(dòng)控制系統(tǒng),可確保物料在設(shè)定的停留時(shí)間和溫度條件下得到處理,處理后的尾礦從出料口排出。
為了盡可能模擬水泥窯內(nèi)的實(shí)際情況(氧氣濃度較低、二氧化碳濃度和水蒸汽含量較高),試驗(yàn)擬通過(guò)向回轉(zhuǎn)窯中通入二氧化碳來(lái)控制其中的氧氣濃度。先根據(jù)大氣采樣器確定的空氣流量和氣體比例計(jì)算試驗(yàn)設(shè)備中應(yīng)控制的二氧化碳濃度和水蒸汽含量。其中,尾礦樣品本身含水率為10%左右,能夠滿(mǎn)足處理過(guò)程對(duì)水蒸汽含量的要求。處理后的尾礦樣品迅速裝入取樣瓶,待測(cè)。
2.2.3 試驗(yàn)過(guò)程尾氣中氰化物的測(cè)定
尾礦水泥窯共處置試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體進(jìn)入事先制作好的尾氣收集裝置(圖2)。從圖2可以看出,夾雜著顆粒物的氣體經(jīng)集塵器除塵后,進(jìn)入裝有NaOH吸收液的吸收瓶,氣體中的氰化物被NaOH吸收后進(jìn)入干燥器進(jìn)行干燥,干燥后的氣體再經(jīng)真空泵進(jìn)入大氣采樣器,進(jìn)行氣體流量的統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)大氣采樣器記錄的氣體流量及吸收瓶里氰化物濃度的檢測(cè)結(jié)果,最終可計(jì)算出排放尾氣中的氰化物濃度。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程采用真空泵系統(tǒng),使得熱處理設(shè)備及氣體采集裝置均在負(fù)壓下運(yùn)行,避免了污染物的泄露。
圖2 尾氣收集處理裝置Fig.2 Collection equipment for exhausted gas
熱處理前后尾礦及氣體吸收液中氰化物濃度由具有資質(zhì)的第三方專(zhuān)業(yè)分析測(cè)試機(jī)構(gòu)協(xié)助完成。尾礦中的氰化物濃度采用分光光度法測(cè)定,吸收液中氰化物濃度采用硝酸銀滴定法測(cè)定,均以CN-計(jì)。
2.3 試驗(yàn)條件
含氰黃金尾礦水泥窯共處置過(guò)程中,溫度、氧氣濃度和水蒸汽含量對(duì)氰化物的去除有較大影響。結(jié)合某水泥廠水泥窯實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)設(shè)定試驗(yàn)條件,如表1所示。
表1 含氰尾礦水泥窯共處置試驗(yàn)條件
注:編號(hào)1和2為未通入二氧化碳控制水泥窯內(nèi)部氧氣濃度的試驗(yàn),編號(hào)3和4為模擬實(shí)際水泥窯工藝條件要求通入一定比例的二氧化碳來(lái)調(diào)整水泥窯內(nèi)氧氣濃度的試驗(yàn)。
3.1 黃金尾礦與水泥原料成分對(duì)比分析
黃金尾礦是金礦石經(jīng)磨細(xì)提取黃金后排放的廢棄物,呈黃色或黃棕色粉狀,含有SiO2、CaO和一定量的Fe2O3、Al2O3、MgO等。試驗(yàn)中的含氰尾礦與某水泥廠水泥原料(石灰石、鐵尾礦、鋁釩石、砂巖)的主要化學(xué)成分對(duì)比如表2所示。
表2 含氰尾礦砂與某水泥廠水泥原料主要化學(xué)成分對(duì)比
從表2可知,黃金尾礦的主要化學(xué)成分與某水泥廠水泥原料中的鐵尾礦成分相近,可見(jiàn),利用含氰黃金尾礦替代該水泥廠中水泥原料的鐵尾礦成分是可行的。
3.2 尾礦中氰化物去除效果的影響研究
(1)溫度對(duì)尾礦中氰化物去除效果的影響
為模擬某水泥廠水泥窯生產(chǎn)線(xiàn)兩個(gè)投料點(diǎn)的實(shí)際溫度,選擇150和450 ℃進(jìn)行試驗(yàn)。在氧氣濃度(21%)、原始氰化物(CN-)濃度(4.41 mgkg)等條件一定的情況下,水泥窯共處置溫度在150 ℃和450 ℃下,處理后尾礦中的氰化物濃度由2.66 mgkg降到0.18 mgkg,去除率則由39.68%升到95.92%,去除率增加了1倍多(圖3)。由此可見(jiàn),處理溫度越高,尾礦中氰化物的去除效果越好。
注:氧氣濃度為21%。
(2)氧氣濃度對(duì)尾礦中氰化物去除效果的影響
為考察水泥窯中氧氣濃度對(duì)氰化物去除效果的影響,開(kāi)展了水泥窯中不同氧氣濃度下氰化物的去除試驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。
圖4 氧氣濃度對(duì)尾礦中氰化物去除的影響Fig.4 Removals of cyanide in gold mine tails at different oxygen percents
由圖4(a)可知,在150 ℃條件下,氧氣濃度由21%降為10%時(shí),尾礦中剩余氰化物濃度由1.89 mgkg變?yōu)?.66 mgkg,去除率由43.41%降為39.68%,去除率略有降低;由圖4(b)可知,在450 ℃條件下,氧氣濃度由21%降為3%時(shí),尾礦中剩余氰化物濃度由0.18 mgkg變?yōu)?.39 mgkg,去除率由95.92%降為88.32%,去除率有所降低。結(jié)果表明,隨著氧氣濃度的降低,尾礦中氰化物的去除效果有所下降,但幅度不大。該結(jié)論與李揚(yáng)等[20]關(guān)于氣氛含氧量對(duì)有機(jī)農(nóng)藥滴滴涕(DDT)熱處理特性的影響得出的“滴滴涕熱處理殘?jiān)惺S郉DT濃度隨含氧量增加而減少”結(jié)論相一致,均是較高的氧氣濃度有利于提高熱處理效果。
試驗(yàn)結(jié)果還表明,在溫度較高(450 ℃)時(shí),無(wú)論是否通入二氧化碳,處理后尾礦中氰化物濃度均滿(mǎn)足HJ 350—2007《展覽會(huì)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(0.9 mgkg)要求,可用于各類(lèi)土地利用類(lèi)型;在溫度較低(150 ℃)時(shí),無(wú)論是否通入二氧化碳,尾礦中氰化物濃度均未達(dá)到HJ 350—2007的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求,但滿(mǎn)足B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(8 mgkg)要求,可用于場(chǎng)館、綠化和商業(yè)公共市政用地等。
3.3 氣相中氰化物消解率的影響
(1)溫度對(duì)排放氣體中氰化物消解率的影響
氰化物脫離尾礦固相后不一定全部被消解,可能存在氣相中,其在氣相中的消解率直接影響到最終排放氣體中的氰化物濃度以及操作環(huán)境的安全性,因此,有必要考察含氰尾礦水泥窯共處置過(guò)程中氣態(tài)氰化物的產(chǎn)生量及其消解情況,結(jié)果如圖5所示。
注:氧氣濃度為21%。
由圖5可知,在氧濃度(21%)一定,水泥窯共處置溫度分別為150和450 ℃時(shí),消解前氣相中原始氰化物濃度分別為3.5和8.46 mgm3,消解后對(duì)應(yīng)排放氣體中氰化物濃度均為0.03 mgm3,氣相中氰化物消解率分別為99.59%和99.84%??梢?jiàn),兩種溫度下氣相中絕大部分氰化物均被降解,說(shuō)明溫度對(duì)氰化物的降解影響不大,且較低的溫度(150 ℃)即可實(shí)現(xiàn)氣相中氰化物的大量消解。
(2)氧氣濃度對(duì)排放氣體中氰化物消解率的影響
比較了氧氣濃度對(duì)排放氣體中氰化物消解率的影響,結(jié)果如圖6所示。
圖6 不同氧氣濃度對(duì)氣相中氰化物消解的影響Fig.6 Removals of cyanide in air at different oxygen percents
由圖6可知,當(dāng)水泥窯共處置溫度為150 ℃,窯內(nèi)氧氣濃度分別為10%和21%時(shí),消解前氣相中原始氰化物濃度分別為2.9和8.5 mgm3,消解后對(duì)應(yīng)的排放氣體中氰化物濃度分別為0.13和0.03 mgm3,其氣相中氰化物消解率分別為98.00%和99.59%。當(dāng)水泥窯共處置溫度為450 ℃,窯內(nèi)氧氣濃度分別為3%和21%,消解前氣相中原始氰化物濃度分別為5.9和8.46 mgm3,消解后對(duì)應(yīng)的排放氣體中氰化物濃度分別為0.12和0.03 mgm3,其氣相中氰化物消解率分別為99.09%和99.84%??梢?jiàn),氧氣濃度的高低對(duì)氣相氰化物的降解有一定影響,氧氣濃度越大,排放氣體中的氰化物濃度越低。其與李揚(yáng)等[20]關(guān)于氣氛含氧量對(duì)有機(jī)農(nóng)藥滴滴涕(DDT)熱處理特性的影響結(jié)論一致,即900 ℃時(shí)尾氣中DDTs 殘留總量隨氣氛中含氧量的升高呈明顯的下降趨勢(shì)。總體上,四種試驗(yàn)條件下的氣態(tài)氰化物消解率均較高,在98%以上。
上述氣相中氰化物的產(chǎn)生量和消解率試驗(yàn)表明,在水泥窯共處置過(guò)程中,排放氣體中的氰化物濃度均滿(mǎn)足GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(對(duì)于現(xiàn)有污染源,氰化氫最高允許排放濃度為2.3 mgm3;對(duì)于新污染源,氰化氫最高允許排放濃度為1.9 mgm3)和GBZ 2.1—2007《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》〔工業(yè)場(chǎng)所中氰化物容許濃度為1 mgm3(以CN-計(jì))〕的相關(guān)要求。
(1)含氰黃金尾礦的主要化學(xué)成分與某水泥廠水泥原料中的鐵尾礦相近,說(shuō)明將含氰黃金尾礦資源化替代部分水泥原料,在物料成分上是可行的。
(2)水泥窯中氧氣濃度對(duì)尾礦中氰化物去除效果的影響不大,而熱處理溫度對(duì)尾礦中氰化物的去除效果影響顯著。低溫(150 ℃)時(shí)氰化物的去除率為40%左右,尾礦中剩余氰化物濃度滿(mǎn)足HJ 350—2007《展覽會(huì)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求,可選擇性地用作非直接接觸土壤用途;高溫時(shí)(450 ℃)氰化物的去除效率成倍增加,達(dá)90%左右,尾礦中剩余氰化物濃度滿(mǎn)足HJ 350—2007的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求,可用于各類(lèi)土壤用途。
(3)水泥窯共處置含氰尾礦過(guò)程中脫離固相進(jìn)入氣相中的氰化物絕大部分被消解,排放氣體中氰化物的消解率均在98%以上,濃度均小于0.13 mgm3,滿(mǎn)足《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16297—1996)和《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》(GBZ 2.1—2007)的相關(guān)要求。氣相中氰化物消解率受氧氣濃度的影響較小,基本不受熱處理溫度的影響。
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FeasibilityStudyonCo-processingCyanide-containedGoldMineTailsinCementKilnforResourceUtilization
SANG Yi-min1,3, TIAN Wei2, ZHANG Qian3, LIU Jia2, LI Fa-sheng3, GU Qing-bao3
1.Department of Environmental Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China 2.Beijing Jinyu Mangrove Hongshulin Environmental Protection Technology Co., Ltd, Beijing 100013, China 3.Department of Soil Pollution Control, Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012, China
The test of co-processing cyanide-contained gold mine tails in cement kiln for resource utilization was carried out. The feasibility of cement raw material replaced partially by cyanide-contained gold mine tails was discussed, and the removal effect of cyanide in treated mine tails and exhausted gas was investigated. The experimentation indicated that it was feasible to partially replace cement raw materials by cyanide-contained gold mine tails. The oxygen concentrations in the kiln effected cyanide removals in mine tails slightly, while the treatment temperature played an import role with high temperature able to promote cyanide removal in mine tails. The cyanide content in the treated mine tails agreed withStandardofSoilQualityAssessmentforExhibitionSites(HJ 350-2007). The oxygen concentration had some effect on the removal of cyanides in the exhaust gas; the cyanides concentration in the exhaust gas was low when with high oxygen concentration, basically not affected by the treatment temperature. The cyanide decomposing rates were above 98% as a whole and the cyanide concentrations in exhausted gases during cement kiln co-processing gold mine tails satisfiedIntegratedEmissionStandardofAirPollutants(GB 16297-1996) andOccupationalExposureLimitsforHazardousAgentsintheWorkplace(GBZ 2.1-2007).
gold mine tails; cyanide; cement kiln co-processing; resource utilization
1674-991X(2013)03-0247-06
2012-11-05
中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)(2008GGQD01)
桑義敏(1975—),男,高級(jí)工程師,博士,主要從事土壤修復(fù)研究,sangyimin@bipt.edu.cn
*責(zé)任作者:谷慶寶(1969—),男,研究員,博士,主要從事污染場(chǎng)地修復(fù)與管理研究,guqb@craes.org.cn
X705
A
10.3969j.issn.1674-991X.2013.03.039
環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)2013年3期