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年产5kt纳米碳酸钙废水处理方案设计

年产5kt纳米碳酸钙废水处理方案设计

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  • 详细描述

    年产5kt纳米碳酸钙废水处理方案设计
    目 录
    第一章  设计背景 1
    1.1中国纳米碳酸钙工业的现状及发展 1
    1.2纳米碳酸钙废水处理主要途径 1
    1.2.1工业废水最高允许排放浓度············································2    
    1.2.2碳酸钙生产中废水的处理和回收 ······································3
    1.3纳米碳酸钙的纳米性质 5
    1.3.1物理性质······································································5
    1.3.2化学性质······································································5
    1.4纳米碳酸钙废水对环境的危害 5
    1.5处理纳米碳酸钙中废水的目的 5
    第二章  生产过程 7
    2.1生产原料 7
    2.2生产设备 7
    2.3反应原理 7
    2.4生产操作过程 7
    2.5数据 7
    2.6石灰煅烧 8
    2.7消化反应 14
    2.8碳化活化反应 9
    2.9过滤脱水 10
    2.10干燥 10
    2.11 石灰乳精制 11
    2.12粉碎包装 12
    第三章  废水处理工艺流程图及设备布置图 13
    3.1纳米碳酸钙生产工艺流程图 14
    3.2平面布置图 15
    3.2废水处理工艺流程图 16
    第四章  工艺计算 17
    5.1计算基准及相关说明 18
    5.2消化过程的物料衡算 19
    5.3碳化过程的物料衡算 20
    5.4活化剂的物料衡算 21
    5.5碳化后处理工序的物料衡算 22
    第六章 设计总结 23
    致 谢 24
    参考文献 25
    附 录 26

    第一章  设计背景
    l.1中国纳米碳酸钙工业的现状及发展
       轻质碳酸钙亦称沉淀碳酸钙(Precipita Calciμm Carbonate,简称 PCC),其中把粒径在1-100nm的活性轻质碳酸钙称为纳米级碳酸钙(Nanometer Precipitated Calciμm Carbonte,简称NCC或NPCC)。世界轻质碳酸钙工业始于19世纪中叶。最早1850年英国的伯翰斯特奇公司已开始用氯化钙和碳酸钠为原料,采用复分解反应方法生产沉淀碳酸钙由于当时原料昂贵。
        直到1909年,日本白山恒二发明了用石灰乳 和二氧化碳反应生产出沉淀碳酸钙,廉价的石灰及石灰窑气中的二氧化碳为沉淀碳酸钙的生产和应用开辟了广阔的前景。1914年白石恒二正式成立了白云工业株式会社,将沉淀碳酸钙投入工业化生产。从此奠定了日本在碳酸钙工业的科学研究和应用技术在世界的领先地位。1925年白石恒二又发明了用硬脂酸钠处理沉淀碳酸钙,取名为“白艳华”从而大大扩展了沉淀碳酸钙在橡胶,塑料,树脂等有机高分子方面的应用领域,为沉淀碳酸钙行业的发展迎来了 一个崭新的春天。100年来,“白艳华”已经发展成为拥有数十个品种的系列产品和国际知名品牌,为整个行业所推崇。
    短短两年之后的1927年,又研制出了粒径小于50nm的立方体邢超细活性碳酸钙。超细活性碳酸钙的问世,赋予了碳酸钙补强或半补强性能,使之举入了功能填料的行列,为整个碳酸钙行业插上了腾飞的翅膀。1945年日本又开发出了平均粒径为80nm的高分散性塑料专用立方体型超细碳酸钙,为碳酸钙的专用化指明了方向,直到今天仍然作为行业建设的指南。1965年日本又研制平均粒径为20nm的超微细活性碳酸钙;1983年研制出平均粒径达到5nm的超微细活性碳酸钙,同年又研制出了溶解度远大与普通轻质碳酸钙的无定形碳酸钙,这是日本在碳酸钙科学研究开发不断刷新世界纪录的结果。
    据统计,日本现已研究出纺锤形,立体形,针形,链锁形,球形,柱形,菱形,菊花状,片状以及无定形等不同晶形,不同粒度,不同表面改性的碳酸钙产品达50多种。纳米级超细碳酸钙是20世纪80年代发展起来的一种新型超细固体材料。由于纳米级碳酸钙粒子的超细化,其晶体结构和表面电子结构发生变化,产生了普通碳酸钙所不具有量子尺寸效果,表面效应和宏观量子效应,在磁性,催化剂,光热阻和熔点等方面与常规材料相比显示出优越的性能。将其填充在橡胶,塑料中能使用制品表面光艳,伸长度好,抗张力高,抗撕力强,耐久弯曲是优良的白色补强材料。在高级油墨,涂料中具有良好的光泽,透明,稳定,快干等特性。
        中国碳酸钙生产能力近1500kt,年实际产量约1000kt左右,基本上是普通轻质碳酸钙,平均粒径在5.5μm以下的产品约占10%。1999年后我国纳米碳酸钙有了显著的提高,纳米碳酸年生产能力为10000t,仅为1%,至2002年底纳米碳酸钙生产能力达到48000t,占4.8%。我国1993年200家碳酸钙生产厂家,碳酸钙产量在700kt左右,到2001年碳酸钙生产厂减少到150多家,减幅25%,而碳酸钙产量却提高到1000kt,增长30%。
        中国碳酸钙生产企业数量多,规模小,技术水平低,中国参加WTO以后用想在激烈的国际竞争中立足和发展。企业间相互收购与兼并以求壮大实力在所难免,必须从组织上,体制上打破条块分割,政企不分的格局,组建一批如西兰花,广东恩平,安微铜陵以资产经营为纽带,原料,技术,产品销售等一体化的跨地区,跨部门,以至跨国的大公司很有必要,促进纳米碳酸企业化,专业化的发展。
    l.2纳米碳酸钙废水处理主要途径
         工业废水处理是环境保护的重要环节,对排放到厂外环境的废水,一定要经过妥善而有效的处理,达到排放标准后才能排放。碳酸钙生产过程工业废水来源有三个方面;一是压缩机运转的冷却水,这种谁不含有害物质,可以直接排放或循环使用,二是来自水洗净化窑气产生的废水,带有一部分烟尘,需要将烟尘沉淀出来在排放;三是来自脱水机的废水,分离过程产生的滤液,虽然不上是废水,但需要处理后在排放后在排放或继续使用。
    1.2.1工业废水最高允许排放浓度
    表1-1 工业废水最高允许排放浓度
    有害物质或项目名称 最高允许排放浓度
     
    pH值
    悬浮物
    生化需氧量(5天 20℃)
    6∼9
    500mg/L
    60mg/l
     
    1.2.2碳酸钙生产中废水的处理和回收
    废水的理要满足卫生要求,又要尽可能做到经济合理。亦既要保证水质不
    影响人类和生物的安全,又不能花费更多的资金和设备对废水进行过高级的处理,废水的处理方法很多,按作用原理一般可归纳为物理法、化学法、生物法。
    废水的物理处理方法,就是利用物理作用(如机械力等) 分离废水中主要呈悬浮围体状态的河染物质、在处理过程中不改变其化学性质,如均质调节、沉淀、气浮、过滤等废水的化学处理方法,就是利用化学反应的作用来分离、回收和破坏废水中各种形态的污染物质,如中和、化学氧化、电解等,废水的生物处理方法,就是利用微生物的代谢作用,使废水中呈溶解和胶体状态的有机污染物质转化为稳定,无害的物质,如CO2、H2O等,采用那种方法处理需要根指废水的数量、污染物特性、净化难易程度等,并結合排放标度、污染物回收的经济价值等各方面因素,进行综合分析比较来确定。
    碳酸钙生产过滤的滤液,必定带有一些悬浮物,滤液的浓度一般为2%左右,如果不处理回收,除了增加产品的单耗外,更主要的是污染了环境,所以必须进行处理。钙的悬浮物在水中是容易沉淀的,根据这一特性,采用物理机械方法处理是比较科学的。物理机械法在工业废水的处理中占有重要地位,与其他方法相比,该法具有设备简单,成本低,管理方便,效果稳定等特点,他主要用于去除废水中漂浮物,悬浮固体。物理机械包括过滤,重力分离,离心分离,压滤等。依靠悬浮固体自身重力作用而去除的方法称为沉淀,这是废水净化中最广泛使用的方法之一。沉淀方式又有自然沉淀与混凝沉淀之分,一般采用自然沉淀,沉淀的设备为沉淀池。沉淀池按工作性质可分为间歇式和连续式两种,间歇式适用小于水量的处理,连续式适用于大水量的处理。沉淀池内的水流方向不同又可分为平流式,竖流式和辐射式。
    在纳米碳酸钙生产过程中,所产生的废水包括压滤废水、窑气洗涤废水和生活污水。据统计,目前国内纳米碳酸钙企业每吨产品产生10t以上废水,其中以压滤废水为主。压滤废水中含有钙、镁离子,水质偏碱性,尤其还残留大量处理剂,直接排放不但污染环境,而且造成严重水资源浪费,因此废水必须处理后排放或回收利用。
    纳米碳酸钙生产中的压滤废水,不能直接回收用于生产过程的原因主要有个:一是因为压滤设备本身的局限,它并不能完全截留滤水中的纳米碳酸钙粒子和镁粒子,若直接将滤水回收用于石灰消化,这些粒子则成为结晶反应晶种,不利于石灰浆活性和碳酸钙比表面积的控制;二是若不去除压滤水中残留的大量硬脂酸、油脂等表面处理剂,直接回收使用将在生产过程中产生大量泡沫,甚至会在碳酸化反应过程中严重影响纳米碳酸钙晶体大小和形貌。
    目前,大多数纳米碳酸钙生产企业采用极为简单的废水处理方法,即先将酸性的窑气洗涤废水和碱性的压滤废水混合,可将废水pH值调控在6.0~8.0之间;这种废水处理方法,仅能满足了废水排放标准中对pH值的要求,不能有效去除压滤废水中的大量纳米碳酸钙晶粒和有机物残留。另有少数企业采用生物发酵法处理和净化压滤废水,但这种方法投资大,占地面积广,处理周期长,处理成本高,因此并未被广泛应用。
    l.3纳米碳酸钙的物化性质
    1.3.1物理性质
    ①.表观形状:白色粉末、无刺激性、无味。
    ②.密度 各种碳酸钙的同质异构体的密度不同,一般相对密度为2.7∼2.9。
    ③.硬度:碳酸钙较柔软。
    ④.分解温度  碳酸钙的热稳定性较好,普通轻钙加热到550℃左右可分解,一般为528℃左右。
    ⑤.浓度积,溶解度和pH值  难溶于水,醇。
    ⑥.比热熔  同质异构体的比热容差别不大,在1200℃以内。
    1.3.2化学性质
    ①. 受热分解反应:
    CaCO3→CaO+CO2↑-316.5kJ/mol
    ②. 与稀强酸发生复分解反应:
    CaCO3+2HCl→CaCl2+H2O+CO2
    ③.在水溶液中与CO2发生缓慢反应,生成易溶于水的碳酸氢钙
    CaCO3+H2O→Ca(HCO32→Ca[C5H6(OH)5COO]2+H2O+CO2
    ④.与各种有机酸反应:乳酸、醋酸、柠檬酸、葡萄糖酸等发生反应。
    ⑤.与葡萄糖反应生成葡萄糖酸钙:
    CaCO3+2C5H6(OH)5COOH→[C5H6(OH)5COO]Ca+H2O
    ⑥.与氨发生缓慢的反应CaCO3+4NH3→Ca(NH3)42++CO32-
    1.4纳米碳酸钙废水对环境的危害
    ①、纳米碳酸钙废水可能渗透到地下水,污染地下水,进而污染农作物;
    ②、如果周边居民采用被污染的地表水或地下水作为生活用水,会危害身体健康,重者死亡;
        ③、纳米碳酸钙废水渗入土壤,造成土壤污染。影响植物和土壤中微生物的生长。
    ④.污染种类多;
    ⑤.污染物毒性大;
    ⑥.污染范围广等特点。其中以纳米碳酸钙污水为列:纳米碳酸钙
    “黑水”中含有氮、硫、CO2等工业废水产生的污染。对湖泊等封闭性水域,由于含氮物质的废水流入,会使藻类及其他水生生物异常繁殖,使水体产生富营养化;CO2会造成温室效应;含硫会影响土质酸碱性。含有大量不溶性悬浮物废水的污染比如纳米碳酸钙所产生的“白水”,会影响生态环境的美观化。
    1.5处理纳米碳酸钙中废水的目的
    纳米碳酸钙增浓和过滤过程所排放的白水总量非常惊人,并随着浆液浓度的减小而显著增加,实际生产中除非白水能够加以循环利用,否则,其浆液浓度不能太低以免严重污染环境。
    纳米碳酸钙的黑水中含有许多有害物质:硫化物、CO2、氮气等与水所形成的酸性物质,这些废水不能循环利用,若直接排放到环境中将会对环境造成严重的污染,不同浆液浓度时每生产1t纳米碳酸钙所产生的白水数量在6.8~15.2t之间,如下图表所示所以本课题设计“黑水”和“白水”的处理方法。现有碳酸钙生产过程中的废水数量
    表1-2:不同浆液含量时每生产1t纳米碳酸钙所产生的白水数量:
    精浆中Ca(OH)2/% 5 6 7 8 9 10
    熟浆中CaCO3/% 6.5 7.8 8.6 9.7 10.8 12.7
    增浓过程/
    (t/tCaCO3
    11.61 8.81 6.82 5.32 4.16 3.23
    脱水过程/
    (t/tCaCO3
    3.58 3.58 3.58 3.58 3.58 3.58
    白水总量(t/tCaCO3 15.19 12.39 10.4 9.90 7.74 6.81

    参考文献
    [1]肖品东编著.纳米碳酸钙生产与应用技术解密[M].北京:化学工业出版社,2009,10.
    [2]颜鑫,卢云峰 等著.轻质系列碳酸钙关键技术[M].北京:化学工业出版社,2016.5.
    [3]肖品东编著.纳米沉淀碳酸钙工业化技术[M].北京:化学工业出版社,2004,8.
    [4]黎东学.塑料的刚性填料增韧[J].塑料改性通讯,1998.2.
    [5]童忠良.纳米碳酸钙在涂料中的应用[J].化学与生物工程,2003.1.
    [6]赵福军,谭为群,刘强.纳米碳酸钙填充改性PVC复合体系的性能研究[J].新型建筑材料,2006.12.
    [7]胡庆福编著.纳米碳酸钙生产与应用[M].北京:化学工业出版社,2004.
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