[发明专利]由废污泥制备碳酸钙的方法

说明书

背景技术

就最一般的意义而言，本发明涉及由包含碳酸钙和至少一种硅酸盐矿物（例如，高岭土）的污泥制备和/或回收工业上有用的产品。更具体地，本发明涉及由通过焚烧污泥而制备的灰分制备和/或回收工业有用的产品。一方面，本发明涉及从污泥中通过将其转化成灰分的过程中制备碳酸钙。另一方面，本发明从相对地不含石灰的灰分中回收硅酸盐矿物。 

本发明特别是（但不是仅限于）与从造纸厂（更具体地，通过使用再生纸作为原材料的造纸厂）生产的污泥中制备和/或回收有用的物质的方法相关的，该方法涉及由污泥制备灰分作为“中间体”。首先要关注的是由这样的污泥制备的碳酸钙在纸、聚合物、涂料和密封剂中应用，在这些应用中需要高价值的碳酸钙，而其次要关注的是偏高岭土的回收和加工处理在水泥、混凝土、聚合物和涂料中的应用。 

碳酸钙是在造纸中使用的主要的矿物颜料，既可以作为填料也可以作为涂料材料。碳酸钙也可以广泛应用于材料中的功能性填料，例如颜料、涂料、塑料、密封剂和油墨。碳酸钙的其他应用包括食品、化妆品以及制药业。 

对于造纸涂料，制造商需要能够给予良好的光学性质（高白度、不透明度和光泽度）和印刷适性的颜料。颜料的形貌对给予恰当的流变效应是重要的。产品的纯度和由此不存在大颗粒对于赋予非常低的冲蚀度的是必不可少的。通常情况下，平均颗粒尺寸应该在0.3-1微米的范围内，具有非常窄的颗粒尺寸分布。 

在造纸填充中使用具有平均颗粒尺寸为1.5-3.0微米的碳酸钙。 

非涂布纸的平均矿物负载量约为25重量%，而涂布纸的平均矿物负载量约为45重量%。 

在许多聚合物、涂料和密封剂应用中，与便宜的填充剂相比，使用具有可严格地控制颗粒尺寸的高白度的碳酸钙作为功能性填料以改善外观、机械性质和加工。通常情况下，这些产品具有超过90%的ISO白度和小于3微米的平均颗粒尺寸，具有小于10微米的颗粒顶端切面（particle top cut）。凭着它们的纯度、细微颗粒尺寸和不存在大的硬的颗粒，这些产品具有相对低的冲蚀度，从而减少了高速剪切过程（例如聚合物挤出）中的设备磨损。 

用于至少一些上述应用中的碳酸钙可以为通过研磨天然生成的碳酸钙而得到的形式（称作GCC）。或者碳酸钙也可以通过“化学途径”制备，其中，将二氧化碳加入到钙离子溶液中，最终沉淀出碳酸钙，称为PCC。这样的“化学途径”是具有吸引力的，因为钙离子溶液可以由废弃的石灰（CaO）或者石灰氢氧化物（Ca(OH)₂）原料生成，因此容许由废弃材料制备工业上有价值的碳酸钙，该废弃的材料会引起问题和/或处置费用较高。 

大量的工业过程会产生包含碳酸钙和至少一种硅酸盐矿物的污泥作为工艺废品。以前就提出（见下面）可以从污泥中回收碳酸钙，或者焚烧污泥以使一部分碳酸钙转化成氧化钙，然后可以将氧化钙通过“化学途径”转化成碳酸钙。 

这样的污泥的例子是那些造纸厂生产的污泥（并且被称作“造纸污泥”）。 

所有造纸厂会使用大量的水。通常情况下，在工艺开始时固体物质含量少于1%。大多数这样的水可以循环但是一般每生产一吨的纸会损失20m³。这样的水将会饱含纤维和矿物例如碳酸钙，高岭土和滑石粉，以及其他助剂例如淀粉、胶乳、光学增白剂和染料。废水从造纸机中泵出进入水处理厂，在那里通过絮凝和沉淀去除固体物质。在许多情况下，会使用二级生物处理。然后通常将所得污泥至少部分去水，例如，在压滤机上或在螺旋压力机（这两种情况都是机械除水）。这使污泥浓缩成固含量通常为60%-70%。使用回收废纸的造纸厂有辅助的工艺，其中将废纸撕碎，并将纤维与基本上是矿物 的其他材料分离。除了纤维，所有物质将会进入废水处理，伴随着由纸机生成饱含上述物质的水。如果造纸厂制造与灰板相对的白纸，则分离纤维和矿物的工艺更复杂并进行脱墨过程。脱墨过程使用絮凝和倾析技术将纤维素纤维和所有存在于回收纸中的其他物质分离，以分离矿物和纤维。然而不可能回收100%的纤维，所以一定量的纤维被留在废污泥中。一般每100吨循环的回收纸，将会生产出25吨含50-60%的有机物质的废污泥。剩下的无机物质主要包括碳酸钙和高岭土。 

一般情况下，来自造纸机的废弃物可能是生产的纸的3%，然而来自使用废纸的工厂的废弃物可能是生产的纸的25%。因此，使用回收纸作为原材料的纸厂要比那些不使用回收纸的纸厂生产出更多的造纸污泥。 

由欧洲造纸工业生产的污泥的量为每年几百万吨。 

对于造纸污泥有大量的处理方法，包括在水泥窑中作为可选的燃料燃烧、现场热利用、堆肥、地面散布和填埋。