Characterisation of iron-rich sludge for densification and iron recycling

Abstract

The thesis investigated the behaviour of iron-rich sludge, a problematic waste product of potable water treatment, minewater/groundwater management and hydrometallurgical processing. The objective of the work was further understanding of the characteristics of the sludge, emphasising reactivity, density and structure of iron-rich minewater and water treatment sludge, which have particular industrial significance. A literature review outlined the known fundamental and applied properties of the sludge and introduced the tools, especially ion exchange resins and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), suited to this study. The review and preliminary work confirmed the large volume, highly hydrous and largely amorphous characteristics of the sludge, when first-formed. It also indicated the significant variability in reactivity (rates of leaching) and density (densification) likely to occur with different modes of sludge formation, processing and storage. An appropriate suite of methodologies and analytical techniques were developed to assess this complex and variable material. To determine reactivity, a new method of leaching by resin ion exchange was used. This was analogous to a technique under separate development for recycling iron from iron-rich sludge. To study dewatering and densification, simple accretion and sedimentation (after precipitation) were employed, with and without conditioning, i.e., surfactants, freeze/thaw and centrifuging. A new combination of FT-IR/ATR, XRD and TGA/DTA analysis was established to assess structural properties. Reactivity results showed that the rates of leaching in the presence of excess of Lewatit strong acid resin was slowed as the main solid compound in minewater sludge aged gradually over several years. The leaching reaction was significantly retarded by surface active agents, e.g. dispersants or flocculants, commonly employed by industry. Humates present in water treatment sludge largely prevented sludge ageing effects and also reduced the effects of added surfactants. Mechanisms involving bulk structural change with time and ‘blocking’ of surface active groups were proposed to account for observed changes in reactivity. Variations in sludge density with ageing were linked primarily to expulsion of free and weakly bound water and increased efficiencies of particle packing. Instrumental measurements were largely consistent with literature reports on similar materials. IR, XRD, and TGA/DTA analysis confirmed that crystallisation of fresh-formed ferrihydrite to goethite occurred during ageing. Conversely, IR did not establish a link between sludge density and structure. The results thus substantiated the project hypothesis in that sludge reactivity was clearly linked to age, degree of crystallinity and chemical conditions. Results did not link reactivity to sludge dewatering or densification. In both cases, the results should usefully underpin any further development of recycling of iron-rich sludge in industry.

Η διπλωματική εργασία διερεύνησε τη συμπεριφορά του λάσπης πλούσιας σε σίδηρο, ενός προβληματικού αποβλήτου από την επεξεργασία πόσιμου νερού, τη διαχείριση μεταλλευμάτων/υπόγειων υδάτων και την υδρομεταλλουργική επεξεργασία. Στόχος της εργασίας ήταν η περαιτέρω κατανόηση των χαρακτηριστικών της λάσπης, με έμφαση στην δραστικότητα, την πυκνότητα και τη δομή της λάσπης πλούσιας σε σίδηρο από μεταλλεύματα και επεξεργασία νερού, που έχουν ιδιαίτερη βιομηχανική σημασία. Μια ανασκόπηση της βιβλιογραφίας παρουσίασε τις γνωστές βασικές και εφαρμοσμένες ιδιότητες της λάσπης και εισήγαγε τα εργαλεία, ειδικά τις ιοντοανταλλακτικές ρητίνες και τη φασματοσκοπία υπερύθρου Fourier (FT-IR). Η ανασκόπηση και η προκαταρκτική εργασία επιβεβαίωσαν τον μεγάλο όγκο, τις υδαρείς και σε μεγάλο βαθμό άμορφες χαρακτηριστικές ιδιότητες της λάσπης, όταν αυτή σχηματίζεται για πρώτη φορά. Υποδείχθηκε επίσης η σημαντική μεταβλητότητα στην δραστικότητα (ρυθμοί έκπλυσης) και την πυκνότητα (πύκνωση) που πιθανόν να εμφανίζονται με διαφορετικούς τρόπους σχηματισμού, επεξεργασίας και αποθήκευσης της λάσπης. Ανάλογα με την πορεία, αναπτύχθηκε ένα κατάλληλο σύνολο μεθοδολογιών και αναλυτικών τεχνικών για την αξιολόγηση αυτού του πολύπλοκου και μεταβλητού υλικού. Για τον προσδιορισμό της δραστικότητας, χρησιμοποιήθηκε μια νέα μέθοδος έκπλυσης με ανταλλαγή ιόντων ρητίνης. Αυτό ήταν ανάλογο με μια τεχνική που αναπτυσσόταν ξεχωριστά για την ανακύκλωση του σιδήρου από τη λάσπη πλούσια σε σίδηρο. Για τη μελέτη της αφυδάτωσης και της πύκνωσης, χρησιμοποιήθηκαν απλές διαδικασίες απόθεσης και καθίζησης (μετά από καθίζηση), με και χωρίς χρήση βοηθητικών ουσιών, δηλαδή, επιφανειοδραστικών ουσιών, εναλλαγής πάγου/απόψυξης και φυγοκέντρησης. Μια νέα συνδυασμένη ανάλυση FT-IR/ATR, XRD και TGA/DTA καθιερώθηκε για την αξιολόγηση των δομικών ιδιοτήτων. Τα αποτελέσματα της δραστικότητας έδειξαν ότι οι ρυθμοί έκπλυσης παρουσία υπερβολικής ποσότητας ρητίνης ισχυρού οξέος Lewatit μειώθηκαν καθώς η κύρια στερεή ένωση στη λάσπη μεταλλευμάτων γηράσκει σταδιακά για αρκετά χρόνια. Η πορεία έκπλυσης αναχαιτίστηκε σημαντικά από επιφανειοδραστικούς παράγοντες, π.χ. διασπορείς ή πηκτικά, που χρησιμοποιούνται συχνά από τη βιομηχανία. Τα χουμικά που υπάρχουν στη λάσπη από την επεξεργασία νερού εμπόδισαν σε μεγάλο βαθμό τις επιδράσεις γήρανσης της λάσπης και μείωσαν επίσης τις επιδράσεις των προστιθέμενων επιφανειοδραστικών ουσιών. Προτάθηκαν μηχανισμοί που εμπλέκουν τη μαζική δομική αλλαγή με την πάροδο του χρόνου και τον "αποκλεισμό" των επιφανειοδραστικών ομάδων για να εξηγήσουν τις παρατηρούμενες αλλαγές στην δραστικότητα.Οι μεταβολές στην πυκνότητα της λάσπης με τη γήρανση συνδέθηκαν κυρίως με την απέκκριση ελεύθερου και χαλαρά δεσμευμένου νερού και αυξημένης αποδοτικότητας στην πακετάρισμα των σωματιδίων. Οι μετρήσεις με όργανα ήταν σε μεγάλο βαθμό συνεπείς με τις αναφορές στη βιβλιογραφία για παρόμοια υλικά. Οι αναλύσεις IR, XRD και TGA/DTA επιβεβαίωσαν ότι η κρυστάλλωση του φρεσκοσχηματισμένου ferrihydrite σε goethite συνέβαινε κατά τη γήρανση. Αντίθετα, οι αναλύσεις IR δεν καθιέρωσαν σύνδεση μεταξύ της πυκνότητας της λάσπης και της δομής.Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν την υπόθεση του έργου ότι η δραστικότητα της λάσπης συνδέεται σαφώς με την ηλικία, τον βαθμό κρυσταλλικότητας και τις χημικές συνθήκες. Τα αποτελέσματα δεν συνέδεσαν την δραστικότητα με την αφυδάτωση ή την πύκνωση της λάσπης. Σε αμφότερες τις περιπτώσεις, τα αποτελέσματα θα πρέπει να υποστηρίξουν οποιαδήποτε περαιτέρω ανάπτυξη της ανακύκλωσης της λάσπης πλούσιας σε σίδηρο στη βιομηχανία.