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Fe_2O_3/La_2O_3/粉煤灰复合吸附剂的制备及其对模拟染料废水的吸附性能研究

米敬  
【摘要】:随着我国社会经济的迅猛发展,工业用水量的增多导致废水排放量日益增加,工业废水排放进入水体,造成受纳水体环境容量不足,因此废水污染已成为目前亟待解决的问题。我区地处西部缺水地区,地表水系不发达,受纳水体环境容量逐年减小,同时我区又拥有鄂尔多斯羊绒有限公司和鹿王羊绒有限公司等多家印染企业,因此,对染料废水有效处理和净化变得非常重要。内蒙古地区火电厂数量多,装机总量大,锅炉燃煤产生大量的固体废弃物粉煤灰(FA),而我区稀土资源储量也非常丰富,结合上述便利条件,发挥我区的资源优势,在粉煤灰(FA)中添加少量稀土元素(镧)及其他元素(铁),制备出廉价高效的Fe2O3/La2O3/粉煤灰复合吸附剂(Fe2O3/La2O3/FA),有效净化处理染料废水。本文就吸附剂的最佳的工艺制备条件、结构表征及对直接耐酸大红(DFS 4BS)和直接大红4BE(CDR 4BE)两种模拟染料废水的吸附性能进行了详细地探讨,分析了影响吸附剂去除效率的主要因素,同时对吸附动力学、吸附热力学、吸附机理等进行研究,结果如下:(1)研究以固废粉煤灰(FA)为原料,采用4mol/L HCl对其酸化改性后称取10g(固定m(粉煤灰)∶m(La(NO3)3·6H2O)为25:1)酸改性后的粉煤灰与一定比例的硫酸亚铁铵、硝酸镧及柠檬酸混合,通过凝胶—溶胶法制得Fe2O3/La2O3/FA复合吸附剂,并以直接耐酸大红(DFS 4BS)为吸附反应模型,获得了Fe2O3/La2O3/FA吸附剂的最佳工艺制备条件为:n(FeSO4(NH4)2SO4):n(La(NO3)3):n(C6H6O7)=5:1:4,调节pH9.0~10.0,反应温度60℃,反应时间120min,制得Fe2O3/La2O3/FA吸附剂。Fe2O3/La2O3/FA吸附剂对浓度高达6000mg/L的DFS 4BS和CDR 4BE两种模拟染料废水的去除率高达90%以上,体现出良好的吸附性能。(2)通过Fe2O3/La2O3/FA吸附剂对DFS 4BS和CDR 4BE两种染料废水的吸附性能及主要影响因素研究得出:模拟染料废水的振荡频率、pH值、溶液的初始浓度、接触时间和接触温度等均成为影响Fe2O3/La2O3/FA吸附剂吸附性能的重要因素。当pH=2.0时,吸附剂对DFS 4BS和CDR 4BE两种模拟染料废水的吸附量和去除率最大,分别为598.58mg/g、700mg/g和99.76%、100%,当pH=8.0~12.0时,吸附量开始急剧下降,当pH值升高到12.0时,吸附量和去除率均下降达到最低,分别为224.74mg/g、195.6mg/g和37.46%、27.94%;Fe2O3/La2O3/FA吸附剂对DFS 4BS和CDR 4BE两种模拟染料废水有很高的去除效率,且吸附量随浓度增大而增加,去除率随浓度增大而减小。当DFS 4BS和CDR 4BE两种模拟染料废水浓度为1000mg/时,Fe2O3/La2O3/FA吸附剂对其吸附量为99.91mg/g和99.65mg/g,去除率为99.91%和99.65%,当两种模拟染料废水浓度增加到7000mg/l时,fe2o3/la2o3/fa吸附剂对其吸附量可达483.95mg/g和474.84mg/g,去除率仍高达67.40%和61.28%。(3)吸附动力学研究结果表明:fe2o3/la2o3/fa吸附剂对dfs4bs和cdr4be两种模拟染料废水有较快的吸附速率,在0~30min时,随时间增加吸附量变化量非常大,表明吸附为快吸附,在30~60min时,随时间增加吸附量的增加量逐渐变缓,在60min~90min时随时间增加吸附量变化量接近零,在90min之后,基本达到吸附平衡。如在298k时间90min时,dfs4bs模拟染料废水浓度由1000mg/l增加到6500mg/l时,吸附剂的吸附量由99.83mg/g增加到583.95mg/g,去除率由99.83%降低到为89.83%。cdr4be模拟染料废水浓度由1000mg/l增加到6000mg/l时,吸附剂的吸附量由99.96mg/g增加到595.12mg/g,去除率由99.95%减小到99.18%。在不同温度(298k、313k、328k)下,动力学曲线变化趋势基本相同,fe2o3/la2o3/fa吸附剂对dfs4bs和cdr4be两种染料废水的吸附过程符合拟二级吸附速率方程(r20.999),吸附过程主要受颗粒内扩散控制,同时也受颗粒外扩散过程的影响;吸附剂对dfs4bs和cdr4be两种模拟染料废水的吸附活化能ea分别为16.80kj/mol和31.18kj/mol,主要是物理吸附。(4)吸附等温实验研究结果表明:在不同温度(298k~328k)下,fe2o3/la2o3/fa吸附剂对dfs4bs和cdr4be两种染料废水的的等温吸附实验数据均符合langmuir和freundlich等温吸附方程,且对langmuir方程的拟合效果(r20.9997)优于freundlich方程拟合效果(r20.9256)。由langmuir方程获得的吸附剂对dfs4bs的饱和吸附量在476.19~434.78mg/g之间,对cdr4be的饱和吸附量在434.78~666.67mg/g之间,吸附剂对dfs4bs的吸附反应具有放热性质,而对cdr4be的吸附过程是吸热反应;由langmuir方程计算平衡常数rl值和由freundlich方程计算的1/n值均表明fe2o3/la2o3/fa吸附剂对dfs4bs和cdr4be两种模拟染料废水的吸附容易进行。(5)吸附热力学研究结果表明:在不同温度(298k~328k)下,fe2o3/la2o3/fa吸附剂对dfs4bs和cdr4be的吸附热力学常数△g在-24.17kj/mol~-25.61kj/mol和-30.85kj/mol~-31.50kj/mol之间,表明吸附剂对fs4bs和cdr4be两种模拟染料废水的吸附过程均为自发过程,fe2o3/la2o3/fa吸附剂对dfs4bs和cdr4be的吸附焓变△h分别为-16.03kj/mol和1.07kj/mol,表明吸附剂对dfs4bs吸附反应为放热反应而对cdr4be吸附反应为吸热反应,与前面的动力学研究相符。fe2o3/la2o3/fa吸附剂对dfs4bs和cdr4be的吸附熵变△s分别为0.030j/mol/k和0.101J/mol/K,表明在吸附过程中体系的有序性降低,且吸附主要为物理吸附。上述研究结果表明,本实验制备的Fe2O3/La2O3/FA吸附剂对高浓度DFS 4BS和CDR 4BE有良好的去除效果,若将其与其他污水处理技术相结合推广应用于印染企业高浓度染料废水的处理中,将有很好应用前景和开发潜力。不仅可以将固体废弃物粉煤灰高效利用还可以将高浓度染料废水净化后综合利用,环境效益将非常显著。


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