环保获奖论文1
作者:苏建平 发布时间:2020/5/12 8:38:39 点击数:724
《梅山铁矿矿石脱硫处理过程对环境的影响》
项目课题:梅山铁矿矿石脱硫处理过程对环境的影响
项目学校:梅山高级中学
参加人数:学生4人
指导教师:凌军 孙红文 周洪庚
项目课题各步骤活动情况
一、问题的由来:
问题:梅山铁矿是国内距离大城市最近的大型地下黑色金属矿山,矿石是磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿并存又含有少量黄铁矿和一定量多种成分脉石的复杂的自熔性铁矿石,其矿物组成和结构之特殊,为世界罕见。主要化学组分有铁、硫、磷、钙、镁、铝、硅,并伴生有钒和镓。矿床铁矿石平均品位:TFe39.14%,S2.015%,P0.329%;富矿中平均碱度0.91。具有矿体集中、形态规整、储藏量大、品位较高、易于开采等独特的赋存条件。始建于1959年10 月,经过近50年的发展,公司现已具备年采选400万吨的综合生产能力,形成了以铁精矿、硫酸化工、机电加工三大系列产品。
硫在矿石中主要以黄铁矿(FeS2)存在,也有以黄铜矿(FeS? CuS)或硫酸盐(CaSO4?2H2O?BaSO4)状态存在。冶炼时硫部分被还原进入生铁,钢铁中含硫在其热加工时易产生“热脆”。高炉冶炼时虽然可以脱硫,但却要多消耗焦碳(提高炉温)和石灰石(提高炉渣碱度),以至提高生产成本,因此入炉铁矿石要求含硫应< 0.15%。因此采矿出来的铁矿石,必须经过选矿工艺除去其中含有的硫。经选矿得到铁精矿用于梅山公司生产生铁。得到的硫精矿用于公司生产硫酸。脱硫的过程中对周边环境造成一定程度的影响,而该企业周边有上海梅山二幼、上海梅山二小、上海梅山二中和上海梅山高级中学四所学校,在校学生3000多名,学生的健康受到相应的影响。
二、课题研究的目标:
通过了解选矿的流程、工艺和方法,运用高中阶段所学的知识进行研究和实验,向该企业提出实际可行的整改或强化环境保护的措施,从而达到更加有效地保护环境的目的。
上海梅山铁矿矿石选矿过程中,对环境影响较大的就是脱硫处理,而脱硫处理主要集中在浮选这一环节。
1、浮选的原理:
开采出来的原矿经过粉碎、浮选、磁选、过滤等工艺制成铁精矿。其中浮选工艺目的出去矿石中大量的硫。浮选的原理是利用矿物质表面浸湿性的差异对矿物进行分离的一种方法。在自然界中,一些矿物的表面具有天然的疏水性,如自然硫、石墨、滑石等。他们不被水所润湿,具有天然可浮性,不加任何药剂,就可以粘附到气泡上浮至水面,从而与其他矿物分开。然而,自然界绝大多数矿物是亲水的,不经处理就无法进行浮选分离。为了改变矿物表面的物理化学性质,人为地往矿浆中加入种种浮选药剂,以扩大不同矿物表面润湿性的差异、调整矿浆和矿物表面的性质、控制气泡的稳定性,以便获得良好的浮选结果。
中国古代曾利用矿物表面的天然疏水性来净化朱砂、滑石等矿质药物,使矿物细粉飘浮于水面,而无用的废石颗粒沉下去。在淘洗砂金时,用羽毛蘸油粘捕亲油疏水的金、银细粒,当时称为鹅毛刮金。明宋应星《天工开物》记载,金银作坊回收废弃器皿上和尘土中的金、银粉末时“滴清油数点,伴落聚底"。这就是浮选法选金的最初应用。
2浮选药剂:
浮选药剂的种类很多,根据药剂在浮选过程中的作用和用途,可分为三大类:捕收剂、起泡剂、调整剂。
捕收剂的作用是改变矿物表面的润湿性,由于捕收剂的吸附在矿粒表面形成疏水膜,增大其可浮性,使矿粒能粘附与气泡上而上浮。常用的捕收剂有黄药等。
浮选脱硫捕收剂:黄药还是目前世界上使用最为广泛的捕收药剂,尤其是在重金属硫化矿的选矿和浮选过程中是必不可少的,黄药,烷基黄原酸盐,通式为ROC(S)S·Me。R一般是乙基、丙基、丁基等烷基。Me是钾、钠、铵等。从分子结构来说,其主要功能团为
S ││ —O—C—S— |
黄药在常温下为黄色粉末状固体,常因杂质存在而颜色加深。有毒,易燃,易吸潮,性质不稳定,易溶于水、丙酮和对应的醇中。纯品略有臭味,乃是其缓慢分解后放出二硫化碳和硫化氢产物的味道,由于杂质的存在常加速其分解,故一般有难闻的味道
起泡剂具有亲水基团和疏水基团的表面活性分子,定向吸附于水一空气界面,降低水溶液的表面张力,使充入水中的空气易于弥散成气泡和稳定气泡。起泡剂和捕收剂联合在一起吸附于矿物颗粒表面,使矿粒上浮。常用的起泡剂有:松醇油,俗称二号油等。
松醇油是以松节油为原料,硫酸做催化剂,酒精或平平加(一种表面活性剂)为乳化剂的参与下,发生水解反应制取的。松醇油的主要成分为e-萜烯醇。松醇油中萜烯醇含量为50%左右,尚有萜二醇、烃类化合物及杂质。它是淡黄色油状液体,有刺激性气味。密度为0.9~0.915kg/L,可燃,微溶于水,在空气中氧化,氧化后,黏度增加。
松醇油起泡性强,能生成大小均匀、黏度中等和稳定性适合的气泡。当其用量过大时,起泡变小。
使用调整剂的目的在于改变矿物表面以及溶液的性质,作用十分复杂。
随着选矿工业的日益发展,各类有机浮选药剂在选矿工艺中得到广泛应用。它的发展在给人类社会带来文明和繁荣的通式,也给自然生态环境的许多方面造成危害。残留在选矿废水中的有机浮选药剂,或多或少都具有一定的毒性,若排入自然水系。将会污染环境,对矿区人民生活及生物的生长可能带来不同程度的影响。因此,治理选矿废水,保护矿区环境的问题也越来越突出。
与铁矿石分离后的含硫矿物经过过滤、烘干等工艺后制成硫精矿,用于化工公司生产硫酸。高中化学中学过硫精矿通过高温培烧硫被氧化转化为二氧化硫,二氧化硫经过催化氧化转化为三氧化硫,三氧化硫用98.3%浓硫酸吸收后转化为硫酸。生产过程中的尾气中会含有二氧化硫,必须经过吸收达标后才能排放空气中。
4FeS2+11O2→2Fe2O3+8SO2
2SO2+O2→2SO3
SO3+H2O→H2SO4
三、课题研究的内容:
通过调查研究,找出该企业目前矿石脱硫过程中对周边环境造成一定影响所存在的问题或不足。
用黄药浮选的矿山的尾矿水中往往含有少量的黄药。被黄药污染的废水若排入天然水系中,给发展农林渔牧各业及人民生活带来不同程度的危害。溶于水中的黄药,即使浓度少至0.05毫克/升,也可使水质产生臭味。此外,黄药还受日光照射及空气中氧的分解作用,产生多种分解物仍为环境污染物。黄药在水面中的最高容许浓度为0.005毫克/升。
含有松醇油的尾矿水排入自然水系,污染水体,从而危害水生动植物。松醇油在地面水中的最高允许浓度为0.2毫克/升。
我们对排入流经矿区的秦淮河的选矿废水进行了取样分析。测定结果如下:
项目:pH、悬浮物、化学需氧量、油类等
步骤:采集水样(选定采集水样的地点时间、次数、体积、方式及设备),水样的保存、水样必要的预处理及测定(有些项目必须当场的测定):
pH
采样地点 | 分析 方法 | 室温 | 标准缓冲 液理论值 | 定位值 | 测得值 | 样品编号 | 测定均值 |
4#口 | 电极法 | 5℃ | 6.88 | 6.88 | 9:30 | 8.20 | |
9.28 | 9.23 | 14:30 | 8.03 |
COD:
Fe2+溶液的当量浓度:0.2500*10.00/23.90=0.1046
采样地点 | 取样体积(mL) | 重铬酸钾溶液取用量(mL) | Fe2+溶液消耗量(mL) | 水样浓度(mg/L) | ||
终读 | 始读 | 用量 | ||||
空白 | 20.00 | 10.00 | 23.60 | 0.00 | 23.60 | |
4#口 | 20.00 | 10.00 | 21.42 | 0.00 | 21.42 | 91.2 |
4#口 | 20.00 | 10.00 | 21.50 | 0.00 | 21.50 | 87.9 |
悬浮物(ss)
采样地点 | 取样体积(mL) | 称重 | 样品重(g) | 样品浓度(mg/L) | |
容器加样品恒重(g) | 容器恒重(g) | ||||
4#口 | 250 | 11.1771 | 11.1628 | 1.42*10-2 | 57 |
11.1775 | 11.1633 | ||||
4#口 | 250 | 11.5277 | 11.5117 | 1.6*10-2 | 64 |
11.5275 | 11.5114 |
油
采样地点 | 取样体积(mL) | 样品浓度(mg/L) |
4#口 | 500 | 3.38 |
4#口 | 500 | 3.43 |
实验数据分析:
COD化学需氧量是指一定条件下,用强氧化剂处理水样时所消耗氧化剂的量,以氧的毫克/升来表示。化学需氧量反映了水中受还原性物质污染的程度。水中还原性物质包括有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等。水被有机物污染是很普遍的,因此化学需氧量也作为有机物相对含量的指标之一。COD值越高,表示水中有机物越多。
由于黄药、二号油的分析方法较为复杂,我们没有能力去测定水样中的其具体含量,因为黄药、二号油的主要成分都是有机物,通过水样中化学需氧量的测定,从某个方面来讲,也能反映水中有机物总体含量,从而分析出水样被污染的程度。
从测定的水样中COD的数据看,略超过国家地表水环境质量标准80mg/L的要求。由于黄药的生产过程中要加入大量的碱性物质,水样中pH的高低,从某方面来讲,也反映了水中黄药的含量。
从测定的水样中pH的数据看,虽然符合国家地表水环境质量标准的要求,但水样呈碱性,可能与黄药的使用有一定关系。
我们对学校周围的空气中二氧化硫的含量进行了测定,测定结果说明,学校周围空气中二氧化硫的含量符合国家对空气质量的要求,二氧化硫含量不超标。
综合分析看,矿区工业废水排放口的水质略有污染,空气质量符合要求,对生活在其中周围的学生的身体有一定的影响,希望引起有关部门的重视。
四、课题研究的方法:
在调查上海梅山铁矿矿石脱硫过程中对环境影响的环节中,我们重点对该企业排水进行了研究,我们采用的主要测定方法如下:
◆ 重铬酸钾法测定(CODCr)
原理
在强酸性溶液中,准确加入过量的重铬酸钾标准溶液,加热回流,将水样中还原性物质(主要是有机物)氧化,过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示剂,用硫酸亚铁铵标准溶液回滴,根据所消耗的重铬酸钾标准溶液量计算水样化学需氧量。
仪器
1、500ml全玻璃回流装置。
2、加热装置(电炉)。
3、25ml或50ml酸式滴定管、锥形瓶、移液管、容量瓶等。
试剂
1、重铬酸钾标准溶液(C1/6K2Cr2O7);称取预先在120℃烘干2h的基准或优质纯重铬酸钾12.258g溶于水中,移入1000ml容量瓶,稀释至标准线,摇匀。
2、试亚铁灵指示液:称取1.485g邻菲啰啉(C12H8N2?H2O)、0.695g硫酸亚铁(FeSO4?7H2O)溶于水中,稀释至100ml,储于棕色瓶内。
3、硫酸亚铁铵标准溶液(C(NH4)2 Fe(SO4)2?6H2O):称取39.5g硫酸亚铁铵溶于水中,边搅拌边缓慢加入20ml浓硫酸,冷却后移入1000ml容量瓶中,加水稀释至标线,摇匀。临用前,用重铬酸钾标准溶液标定。
标定方法:准确吸取10.00ml重铬酸钾标准溶液于500ml锥形瓶中,加水稀释至110ml左右,缓慢加入30ml浓硫酸,混匀。冷却后,加入3滴试亚铁灵指示液(约0.15ml),用硫酸亚铁铵溶液滴定,溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点。
C=0.2500×10.00/V
式中:C-----硫酸亚铁铵标准溶液的浓度(mol/L);
V-----硫酸亚铁铵标准溶液的用量(ml)。
4、硫酸-硫酸银溶液:于500ml浓硫酸中加入5g硫酸银。放置1-2d,不时摇动使其溶解。
5、硫酸汞:结晶或粉末。
测定步骤
1、取20.00ml混合均匀的水样(或适量水样稀释至20.00ml)置于250ml磨口的回流锥形瓶中,准确加入10.00ml重铬酸钾标准溶液及数粒小玻璃珠或沸石,连接磨口的回流冷凝管,从冷凝管上口慢慢地加入30ml硫酸-硫酸银溶液,轻轻摇动锥形瓶是溶液混匀,加热回流2h(自开始沸腾时计时)。
对于化学需氧量高的废水样,可先取上述操作所需体积1/10的废水样和试剂于15×150mm硬质玻璃试管中,摇匀,加热后观察是否成绿色。如溶液显绿色,在适当减少废水取样量,直至溶液不变绿色为止,从而确定废水样分析时应取用的体积。稀释时,所取废水样量不得少于5ml,如果化学需氧量很高,则废水样应多次稀释。废水中氯离子含量超过30mg/L时,应先把0.4g硫酸汞加入回流锥形瓶中,再加20.00ml废水(或适量废水稀释至20.00ml),摇匀。
2、冷却后,用90ml水冲洗冷凝管壁,取下锥形瓶。溶液总体积不得少于140ml,否则因酸度太大,滴定终点不明显。
3、溶液再度冷却后,加3滴试亚铁灵指示液,用硫酸亚铁铵标准溶液滴定,溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点,记录硫酸亚铁铵标准溶液的用量。
4、测定水样的同时,取20.00ml重蒸馏水,按同样的操作步骤作空白试验。记录测定空白时硫酸亚铁铵标准溶液的用量。
计算
式中:c------硫酸亚铁铵标准溶液的浓度(mol/L);
VO---滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液的用量(ml);
V1---滴定水样时硫酸亚铁铵标准溶液的用量(ml);
V----水样的体积(ml);
8---氧(1/2O)摩尔质量(g/mol)。
◆ pH值
地表水环境质量标准值可间接地表示水的酸碱程度。天然水的Ph值多在6~9范围内,pH值是水化学常用的和最重要的检验项目之一。由于pH值受水温影响而变化,测定时应在规定的温度下进行,或者校正温度。通常采用玻璃电极法测定Ph值。
方法原理
以玻璃电极为指示电极,饱和甘汞电极为参比电极组成电池。在25℃理想条件下,氢离子活度变化10倍,使电动势偏移59.16mv。为了提高测定的准确度,校准仪器时选用的标准缓冲溶液的Ph值应与水样的Ph值接近。
仪器:(1)pH计(2)玻璃电极(3)甘汞电极(4)磁力搅拌器(5)50mL烧杯
试剂:标准缓冲溶液
步骤
(1)将水样与标准溶液调到同一温度,记录测定温度,把仪器温度补偿旋钮调至该温度处。选用与水样pH相差不超过2个pH单位的标准溶液校准仪器。从第一个标准溶液中取出两个电极,彻底冲洗,并用滤纸吸干。再浸入第2个标准溶液中,其pH值约与前一个相差3个pH单位,当三者均无异常情况时方可测定水样。
(2)水样测定:先用水仔细冲洗两个电极,再用水样冲洗,然后将电极浸入水样中,小心搅拌或摇动使其均匀,待读数稳定后记录pH值。
◆ 废水中油类的测定
在浮选工艺中,常用来作浮选剂的油类,从原料来源上可分为两大类:一种是植物性油类,如松醇油、松油、樟脑油、木焦油等;另一种是矿物油,如汽油、煤油、煤焦油、柴油等。含有油类的尾矿水排入江河后,会污染水体。漂浮于水体表面的油,以乳化状态存在于水中,影响空气与水体界面氧的交换。水中的油被氧化分解,消耗水中的溶解氧,使水体恶化。
原理:油品结构中的甲基在红外光谱3.4~3.5微米波长范围内有特征吸收,其吸收强度取决于含油浓度。水中微量油品经四氯化碳提取后,用红外分光光度计进行测定,根据红外光的吸收强度,测定水中油品的含量。
仪器:(1)红外分光光度计(2)分页漏斗,1000毫升(3)具塞比色管,25毫升(4)G—1型砂芯漏斗(5)精密天平(7)移液管,10毫升(8)烧杯,200、500毫升(9)量筒,10毫升
试剂:(1)四氯化碳,分析纯(2)氯化钠,分析纯(3)浓盐酸,比重1.19(4)无水硫酸钠,分析纯(5)油品标准液
制备:称取0.1克(准确至0.0001克)污染油样,放于100毫升容量瓶中,用四氯化碳溶解并稀释至刻度、摇匀。吸取此溶液10毫升,放于100毫升容量瓶中,用四氯化碳稀释至刻度,摇匀,此溶液1毫升含0.1毫克油品。将此溶液用四氯化碳再稀释10倍,则成为1毫升含0.01毫克油品的标准溶液。
步骤:
1.标准曲线的绘制
将上述油品标准溶液用四氯化碳稀释至每升含油0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0毫克的标准系列,注入比色管中,用红外分光光度计,于波长3200~2700厘米-1进行扫描,测得最大吸收波长2930厘米-1处的吸光值。根据仪器读数与油品含量(毫克/升),绘制标准曲线。
2.水样的测定
将采样瓶中500毫升水样全量倒入1000毫升分液漏斗中,加入5毫升1:1盐酸,加入10克氯化钠,摇匀使其溶解。用20毫升四氯化碳洗涤采样瓶,并入分液漏斗内,振摇5分钟,静置分层,将四氯化碳层放入层高为1厘米的无水硫酸钠的砂芯漏斗中,滤入25毫升具塞比色管内,用四氯化碳稀释至刻度,摇匀,用绘制标准曲线相同的测定仪器及操作方法进行测定,所得数据从标准曲线上查出相应的含油量(毫克/升)
计算
水中油含量(毫克/升)
式中 Q——查标准曲线值,毫克/升
V1——四氯化碳定容体积,毫升
V2——供试验水样体积,毫升
◆ 水中悬浮物的测定
定义:水质中的悬浮物是指水样通过孔径为0.45μm的滤膜,截留在滤膜上并于103~105℃烘干至恒重的物质。
试剂:蒸馏水或同等纯度的水。
仪器:
1. 全玻璃微孔滤膜过滤器。
2. GN-CA滤膜、孔径0.45μm、直径60mm。
3 吸滤瓶、真空泵
4 无齿扁咀镊子。
采样及样品贮存:
1、采样
所用聚乙烯瓶或硬质玻璃瓶要用洗涤剂洗净。再依次用自来水和蒸馏水冲洗干净。在采样之前,再用即将采集的水样清洗三次。然后,采集具有代表性的水样500~1 000mL,盖严瓶塞。注:漂浮或浸没的不均匀固体物质不属于悬浮物质,应从水样中除去。
2、样品贮存
采集的水样应尽快分析测定。如需放置,应贮存在4℃冷藏箱中,但最长不得超过七天。
注:不能加入任何保护剂,以防破坏物质在固、液间的分配平衡。
步骤
1、滤膜准备
用扁咀无齿镊子夹取微孔滤膜放于事先恒重的称量瓶里,移入烘箱中于103~105℃烘干半小时后取出置干燥器内冷却至室温,称其重量。反复烘干、冷却、称量,直至两次称量的重量差≤0.2mg。将恒重的微孔滤膜正确的放在滤膜过滤器(4.1)的滤膜托盘上,加盖配套的漏斗,并用夹子固定好。以蒸馏水湿润滤膜,并不断吸滤。
2、测定
量取充分混合均匀的试样100mL抽吸过滤。使水分全部通过滤膜。再以每次10mL蒸馏水连续洗涤三次,继续吸滤以除去痕量水分。停止吸滤后,仔细取出载有悬浮物的滤膜放在原恒重的称量瓶里,移入烘箱中于103~105℃下烘干一小时后移入干燥器中,使冷却到室温,称其重量。反复烘干、冷却、称量,直至两次称量的重量差≤0.4mg为止。
注:滤膜上截留过多的悬浮物可能夹带过多的水份,除延长干燥时间外,还可能造成过滤困难,遇此情况,可酌情少取试样。滤膜上悬浮物过少,则会增大称量误差,影响测定精度,必要时,可增大试样体积。一般以5~100mg悬浮物量做为量取试样体积的实用范围。
悬浮物含量C(mg/L)按下式计算:
式中:C——水中悬浮物浓度,mg/L;
A——悬浮物+滤膜+称量瓶重量,g;
B——滤膜+称量瓶重量,g;
V——试样体积,mL。
五、我们的整改建议:
通过努力,我们发现上海梅山铁矿在矿石脱硫处理过程中对周边环境确实存在一定的影响,综合分析看,矿区工业废水排放口的水质略有污染,空气质量符合要求,对生活在其周围的学生的身体有一定的影响,因此,我们向该企业提出如下整改建议:
1、严格规章制度,切实按照国家有关环境保护的法律法规去进行矿业的开采、选矿和加工,从思想上制度上加以保证;
2、加大选矿流程的环境监理,尽量减少有害环境的污物排入秦淮河,从而影响梅山自来水厂的源水质量;
3、对硫酸厂的污水排放处理、选矿厂浮选车间的污水处理要建立半日报制度,缩短取样、化验和回报的周期,以便出现问题及时解决;
4、采取水质分类使用法,即根据水质的不同确定使用的对象,水质好的做自来水,水质较差的做工业用水;
5、严格脱硫、化验等环节需要使用的化学药品质量,严把进货渠道关,尽量使用质量好的化学药品,这样对环境产生的影响就会相对减少;
6、不定期的开展环境保护的宣传或与之相关的活动,使得环境保护的相关知识深入人心,自觉维护环境的清洁。
梅山高级中学课题研究小组
2016.12.20