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粘土矿物颗粒复合材料的制备及处理电镀工业废水的研究

付桂珍  
【摘要】: 本课题研究利用蒙脱石、凹凸棒石粘土矿物与工业废料粉煤灰制备复合颗粒吸附材料用于处理电镀工业废水,开发出环境友好型矿物吸附材料,旨在解决电镀工业废水引起的重金属污染,同时为粘土矿物与工业废料粉煤灰的综合利用开辟一条有效途径,课题研究具有重要的理论意义和实际应用价值。 论文对蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料的制备条件及其处理含Cu、Zn、Ni、Cr等多种重金属离子电镀工业废水的吸附条件进行了系统的研究;运用XRD、SEM、DTA/TG、BET等测试分析手段对其进行了表征;研究了复合颗粒吸附材料对电镀工业废水中多种不同浓度重金属离子的吸附/解吸规律;并探讨了复合颗粒吸附材料去除废水中重金属离子的吸附动力学方程、吸附热力学参数及等温吸附作用机理。 主要研究成果如下: 1复合颗粒吸附剂的制备研究 (1)蒙脱石/粉煤灰复合颗粒吸附剂制备适宜工艺条件为:蒙脱石与粉煤灰的比例为6:4,焙烧温度450℃,焙烧时间为0.5h,添加剂(工业淀粉)比例为蒙脱石/粉煤灰总质量的10%,颗粒直径为1~2mm。在上述工艺条件下制备的复合颗粒用于吸附处理初始浓度为200mg/L的含Cu2+废水,吸附率可达96.34%,且散失率小于1%。 (2)凹凸棒石/粉煤灰复合颗粒吸附剂制备适宜工艺条件为:凹凸棒石/粉煤灰混合比6:4,焙烧温度400。C,硅酸钠和淀粉添加比例分别为凹凸棒石/粉煤灰总质量的15%和10%。在上述工艺条件下制备的复合颗粒对初始浓度为50mg/L含Zn2+溶液的吸附率达94.23%,其散失率为4.33%。 2颗粒吸附材料的表征 (1)在适宜造粒条件下制得的蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料的XRD图谱分析表明蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料焙烧前后其物相组成基本未发生变化;DTA/TG分析表明颗粒吸附材料焙烧前后其蒙脱石结构变化不大,主要是失去蒙脱石中的吸附水和层间水;SEM图像分析显示未焙烧的蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料几乎未见有显气孔,有极少量的空洞,而焙烧后的蒙脱石/粉煤灰颗粒微孔结构十分明显,形状规则,孔径大小约20~5μm。该材料的物理性能测试表明:吸水率为31.80%,显气孔率为46.82%,体积密度为1.47 kg/m3,抗压强度为5.28MPa,比表面积为10.28m2/g。 (2)在适宜造粒条件下制得的凹凸棒石/粉煤灰颗粒吸附材料的XRD图谱分析表明焙烧前后物相组成基本未发生变化,说明颗粒焙烧并未改变其物相组成。DTA/TG分析表明凹凸棒石/粉煤灰颗粒吸附材料焙烧前后其凹凸棒石结构变化不大,主要是失去凹凸棒石中的吸附水和层间水;SEM图像分析显示未焙烧的凹凸棒石/粉煤灰颗粒吸附材料有极少量的空洞,而焙烧后的凹凸棒石/粉煤灰颗粒微孔结构较为明显,形状规则,孔径大小约10-30μm。该材料的物理性能测试表明:吸水率为32.89%,显气孔率为54.77%,体积密度为1.11 kg/m3,抗压强度为2.15 MPa,比表面积为17.01m2/g。 3复合颗粒吸附剂处理含单一重金属离子废水研究 正交试验确定蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料去除重金属离子的优化条件为:Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cr6+初始浓度分别为100mg·L-1、25mg·L-1、20mg·L-1和10mg·L-1;吸附剂投加量分别为12g·L-1、20g·L-1、24g·L-1和20g·L-1;溶液pH值分别为6、7、7和3;反应时间均为80min。在优化试验条件下,吸附剂对Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cr6+去除率分别为99.00%;、99.10%、98.90%和99.36%。 4复合颗粒材料处理电镀工业废水的研究 (1)蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料去除电镀工业废水中重金属的优化条件为:颗粒吸附材料用量为50g/L,pH值为6.5,反应时间为80min。在优化试验条件下,Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cr6+去除率分别为98.19%、98.07%、98.81%、99.06%,处理后的废水中这些重金属的残留浓度均低于国家污水综合排放标准(GB8978—1996)一级标准。 (2)凹凸棒石/粉煤灰颗粒吸附材料去除电镀工业废水中重金属的优化条件为:颗粒吸附剂投加量为70g/L,pH值为6.5,反应时间为80min。在优化试验条件下,Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cr6+去除率分别为98.14%、87.79%、97.52%、97.58%,处理后的废水中这些重金属的残留浓度均低于国家污水综合排放标准(GB8978—1996)一级标准。 5颗粒吸附材料的再生与重复使用研究 在几种不同解吸剂中,以1mol·L-1NaCl溶液对两种颗粒吸附材料的解吸再生效果最好。颗粒吸附材料经过六次再生和重复使用后,对废水中重金属离子的去除效果略有下降,且经过六次再生和重复使用后的散失率均在10%左右,说明两种颗粒吸附剂解吸再生后,重复使用效果均较好。 6颗粒吸附剂对重金属离子的吸附作用机理探讨 (1)蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料对重金属离子的吸附过程基本符合一级反应动力学方程Ct=C0·e-kt,说明液膜扩散为吸附过程的主控步骤。吸附热力学研究表明,由吸附热力学参数ΔH0,ΔS0可知,温度升高不利于反应正向进行。ΔG0,表明Gibbs自由能的减少是颗粒吸附剂材料吸附的主要动力。蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附剂的吸附等温曲线符合Freundlich和Langmuir型两种吸附等温模型,其中与Langmuir型吸附等温式相关性更好。 (2)蒙脱石与水中重金属离子的吸附机理主要是离子交换吸附;凹凸棒石吸附重金属离子主要以3种形式:表面氧合、微孔通道、凹凸棒石晶体结构中。粉煤灰对废水中金属离子的吸附作用可分为物理吸附、化学吸附和吸附-絮凝沉淀协同作用三种形式。 (3)颗粒材料吸附速度机理研究表明:吸附剂在流体中吸附物质的速度,可以分为外部扩散过程、孔隙扩散过程和吸附反应过程三种,其中以最慢的孔隙扩散阶段起控制作用。


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