蒙脱石粉煤灰颗粒复合材料吸附含镍废水的研究.pdf

第 3 5 卷 第 2期 2 0 0 9 年 2 月 水处理技术 TECHNOL OGY OF WATER TRE ATME NT VO1-3 5 NO2 F e b ，2 0 0 9 2 9 蒙脱石 粉煤灰颗粒复合材料 吸附含镍废水的研究 付桂珍，张保见(武汉理工大学资源 与环 境工程学 院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0)摘要：对蒙脱石 粉煤灰颗粒复合材料吸附镍离子的影响因素进行了考察。试验表明，蒙脱石 粉煤灰颗粒复合 材料最佳吸附工艺条件为：颗粒吸附材料用量为 0 2 g mg ，溶液p H为中性，振荡频率为 9 5 r mi n ，振荡时间为5 0 mi n，初始浓度为4 0 mg L 。在最佳条件下处理初始浓度为4 0 mg L。的含镍废水，吸附率为 9 9 2 9，处理后残余浓 度为 0 2 8 mg L 一，达到 国家一级排放标准(1 0 mg-L )。关键词：粉煤灰；蒙脱石；镍；吸附 中图分类号：T Q4 2 4 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 3 7 0 0(2 0 0 9)0 2 0 2 9 0 3 随着我国国民经济快速发展和人民生活水平 的 提高，水体污染的程度在不断加剧。水污染的加剧制 约了我国经济和社会的发展【l j。对 自然环境和人类生存有着很大危害的重金属 废水排放 日益增多。如果含重金属离子的液体不经处 理直接排放到 自然环境中，将严重威胁到人类赖以生 存的地表水和地下水的安全利用。人体若长期摄入微 量重金属，则会在体内蓄积而引起慢性中毒闭。因此，含重金属离子废水必须经处理后才能排放。所 以，如 何处理工业废水 中的重金属离子，变废为宝达到以废 治废的课题久 已为广大科技工作者所关注，并进行了 广泛深入的研究。对含重金属离子的废水常见的处理 方法有化学反应沉淀法，电沉积法，离子树脂交换法 等。印度的 P a n d a y等应用粉煤灰处理 了含 C u 抖废 水，除去效率分别为 1 0 0 1J 9 3，出水全部达到排放 标准翻。薛建军等用粉煤灰作吸附剂处理重金属离子也 取得了很好的效果4 1。但如何提高蒙脱石 粉煤灰颗粒 在各种环境下的吸附效能的研究，国内外相关报道不 多。本研究以实验室模拟方法分析测试了蒙脱石 粉 煤灰颗粒吸附Ni 离子的影响因素。1 试验部分 1 1 主要试剂和材料 试验采用 的主要试剂有硝酸、氨水、氢氧化钠、柠檬酸铵、碘片、碘化钾、丁二酮肟、镍粉、K a 2 一 E DT A 等，均为分析纯。试验主要原料蒙脱石取 自辽宁某地，其主要化 学成分为：S i O 2 4 8 7 8，F e O 5 2 0，AI，O 1 7 0 3，T i O2 0 5 3，Ca O 1 7 6，Mg O 2 5 3，K2 O 0 8 5，Na 2 0 0 3 9 ，Mn O 0 0 8 ，H2 O 9 2 9 ，H2 O一 3 2 3 ，烧失量 1 0 0 4，总计 9 9 5 3 粉煤灰来 自某热电厂的干排灰，其主要化学成 分为：S i O 2 3 8 6 6，A1 2 O 3 2 0 8 6，F e 2 O 3 4 2 5，T i O 2 0 9 8 ，Ca O 1 8 9 4 ，Mg O 1 2 1 ，K2 O 1 8 1 ，Na 2 0 0 4 2，P 2 O5 0 3 5，S O 3 3 3 3，烧失量8 6 4，总计 99 45 。1 2 主要仪 T MP 一 5 0 0型 电子 天平；H Z 2 4型 回转 振荡 槽；、F J 7 2 0 0型分光光度计；马弗炉；D HG 一 9 0 7 5 A 型电 热恒温干鼓风燥箱；电热蒸馏水器。1 3 奠脱石 粉煤 的I目 备 按参考文献方法 s 称取适量比例的蒙脱石与粉 煤灰共 5 0 g，并添加适量的淀粉、硅酸钠，将它们搅 拌均匀，添加适量的蒸馏水，静置 陈化，人工制成粒 径 1 3 mm 的圆形颗粒，再 自然风干 4 0 mi n，然后 在 1 0 5 0下干燥 1 h，最后在高温下焙烧 2 h后，制得 收稿 日期：2 0 0 8 0 7 3 0 基金项 目：湖 北省耐火材料 与高温 陶瓷重 点实验室开放基金(G 0 5 0 8)作者简介：付桂 珍(1 9 6 3 一)，女，硕士，副教授，研究方向为环 境材料；联系 电话：0 2 7 6 5 7 8 2 0 3 0；E ma i l：f g z h 1 6 3co m。3 0 水处理技术 第 3 5卷 第 2期 蒙脱石 粉煤灰复合颗粒。量为 0 4 g mg 。1 4 试验方法 在 2 5 0 mL锥形瓶 中加入 2 5 mL配制的硝酸镍 溶液，加入一定量的颗粒吸附材料，放入回转振荡槽 中(振荡频率 9 5 r mi n )振荡一定时间后，过滤，取 滤液按丁二酮肟分光光度法分析测定其镍离子浓 度，按下列公式计算其吸附率。叼=C o-c c 0 x l O 0 式 中：7 7 为镍离子的吸附去除率，；C。为吸附 前 镍离子粘度，mg L ；C。为吸附后镍离子浓度，m g L。本试验采用硝酸镍溶液代替含镍废水进行吸附 试 验，在室温下进行，振 荡频率 恒定，利用广泛 p H 试纸进行 p H调节，探讨蒙脱石 粉煤灰颗粒复合材 料吸附含镍废水 中镍离予的影响因素。2 结果与讨论 2 1 p H对吸附效果的影响 在室温，吸附剂用量 0 2g mg ，初始浓度 2 0 mg L。的条件下，经过振荡频率为 9 5 r mi n 、振荡时间为 6 0 mi n的振荡后，p H对吸附率的影响见图 1。由图 1 可知，当溶液呈碱性时吸附率较高，而且，随着碱性的增强，吸 附率不断上升。而含镍废水的传统处理工艺正是碱沉淀 法。但是考虑到碱f生的处理水会造成二次污染以及成本 问题，确定在中性环境下进行含镍废水的处理。pH 围 1 p i t 对吸附率的影响 F i g 1 Effe c t o fp H o n a d s o r p t i o n r a t e 2 2 吸附剂用量对吸附效果的影响 在室温，中性溶液，初始浓度 2 0 mg L1 的条件 下，经过振荡频率为 9 5 r mi n-,振荡时间为 6 0 rai n的振 荡后，颗粒吸附材料的用量对镍离子的吸附率的影 响见 图2。由图 2可知，在 0 2 1 2 g mg 的范围内，吸附率随着吸附材料用量的增加而提高，而在吸附 剂用量超过 0 4 g-mg 时吸附率 的提高有 限。因此，考虑 吸附效果和成本，确定颗粒吸附材料的最佳用 96 0 95 9 9 5 8 9 5 7 斟 9 5 6 蕾 9 5 5 95 4 95 3 吸 刚 剂 用 量 g mg 围 2 吸附剂用对吸附率的影响 F i g 2 Ef f e c t o fa d s o r be n t d o s a g e o n a d s o r pt i o n r a t e 2 3 振荡时间对吸附效果的影响 在室温，中性溶液，吸附剂用量 0 4 g mg ，初始 浓度 2 0 mg L。振荡频率为 9 5 r rai n。的条件下，振 荡时间对镍离子吸附率的影响见图 3。由图 3可知，随着振荡时间的增加，对镍离子的吸附率也在不断 增加；而在振荡时间超过 5 0 rai n后，吸附率的增幅 不入，不超过 1。因此，确定振荡时间为 5 0 mi n。震 荡 时 问 rai n 圈 3 振荡时间对吸附率的影响 F i g 3 Effe c t o f s t i r r i n g t i m e o n a ds o rp t i o n r a t e 2 4 初始浓度对吸附效果的影响 在室温，中性溶液，吸附剂用量 0 4 g mg。的条 件下，经过振荡频率为 9 5 r mi n 、振荡时间为 5 0 mi n的振荡后，溶液初始浓度对镍离子吸附率的影 响见图 4。由图 4可知，窀温下，复合材料对重金属 离子的去除率与其初始浓度成反 比7 1。随着初始浓 仞 始 浓 度 mg L 圈 4 初始浓度对吸附率的影响 F i g 4 Effe c t o f i n i t i a l c o n c e n t r a t i o n o n a d s o rpt i o n r a t e 付桂珍等，蒙脱石 粉煤灰颗粒复合材料吸附含镍废水的研究 3 l 度 的增加，吸附率呈下降趋势，但是下降幅度不大，而且在此条件下，对镍离子的吸附率 已经很高，考虑 到试验成本及某一典型含镍废水中镍离子的浓度，确定初始浓度为 4 0 mg L 。2 5 正交试验 上述试验探讨 了各个单 因素(颗粒 吸附剂用 量、振荡时问、p H、初始浓度)对蒙脱石 粉煤灰颗 粒吸附材料的镍离子吸附率的影响，初步确定 了单 个试验条件值，但只能反映单个试验凶素作用下蒙 脱石 粉煤灰颗粒吸附材料去除含镍废水 中镍离子 的吸附去除率 的变化趋势。因此，为了探讨在各因素 的综合作用下蒙脱石 粉煤灰颗粒吸附材料对镍离 子的最佳去除条件，进行 了四个 因素三个水平(见 表 1)的正交试验，正交试验结果见表 2。裹 1 正交试验因素和水平 Ta b l e 1 Li s t o f o h o g o n a l e x p e r i me n t f a c t o r s 裹 2 正交试验结果分析 Ta bl e 2 Ana l y s i s o fo h o go n a l e x pe r i me n t r e s u l t s 由表 2可 以得出以下结论。(1)初始浓度 的主效应最为显著，四种因素 的 重要性顺序为：初始浓度 振荡时问颗粒吸附材 料用量 p H，说明在 含镍废水处理过程 中，控制废 水中镍离子浓度至关重要。(2)经过比较可知，在 3号正交试验 中，对镍离 子的吸附去除率最高，达到 9 9 5 6。因此，对于蒙脱 土与粉煤灰的 比例为 6：4，加入 1 5 的发泡剂(可 溶性淀粉)、l 5 的粘结剂(硅酸钠)、5 0 的水，在 干燥后在 l 0 5 条件下焙烧 2 h制得 的粉煤灰颗粒 吸附材料，吸附废水中镍离子的最佳条件是：颗粒吸 附材料用量为 0 2 g mg ，溶液 p H为中性，振荡频率 为 9 5 r mi n ，振荡时间为 5 0 mi n，初始浓度 为 4 0 mg L 。此 条件下经处理 后废水 中镍 离子浓度 为 0 2 8 mg L。(已达到国家一级排放标准【。1 1 mg L。)。对于高浓度的含镍废水，建议进行二次处理，达标后 才能排放。3 结论 对蒙脱石 粉煤灰颗粒复合材料处理含镍废水 的模拟试验研究可知：吸附材料用量、振荡时间、p H 及镍离子初始浓度对所制备的粉煤灰颗粒复合材料 对镍离子的吸附去除率皆有影响，且影响力大小排 序为：初始浓度 振荡时间颗粒吸附材料用量 p H；其 中吸附材料用量、振荡 时问、p H和吸 附率呈 正相关，而初始浓度则和吸附率呈负相关。蒙脱石 粉煤灰颗粒复合材料最佳吸附工艺条件为：颗粒吸 附材料用量为 0 2 g mg ，溶液 p H为中性，振荡频率 为 9 5 r mi n ，振荡时间为 5 0 mi n，初始浓度为 4 0 mg L。利用工业废渣粉煤灰与蒙脱石结合处理含重金 属离子的废水具有 以废治废、原料来源广泛易得、价 格低廉等优点。同时原料来源丰富，工业操作简单，具有 明显 的经济效益和社会效益。因此，对蒙脱石 粉煤灰颗粒复合材料在工业水处理中有着广阔的应 用前 景。参考文献：1 陈泽 堂主编 水污 染控 制工程实验 M】北京：化学工业 出版社 2 0 0 3 2 王绍文，罗志腾，钱雷 高浓度有机废水处理技术与工程应用 M t 京：冶金 出版社，2 0 0 3 3 P a n d a y K K，e t E v a l u a t i o n o f r e s i l i e n t mo d u l i a n d l a y e r c o e f-fic i e n t s o f a c o a l a s h s t a bi l i z e d m a r g i n a l a g g r e g a t e ba s e f o r A AS H T O fl e x i b l e p a v e me n t d e s i g n J】Wa t e r R e s e a r c h，1 9 8 5，1 9(7)：8 6 9 8 7 3 4 薛建军，等 粉煤灰在废水 处理 中的应用 J】电镀与环保，1 9 9 3，1(2)：2 5-2 6 5 彭荣华，陈丽娟，李 晓湘 改性粉煤 灰吸附处理含 重金 属离子 废水的研究 J 材料保护，2 0 0 5，(0 1)：4 8 5 1 6 张凌燕，余 佳，林秀玲 蒙脱石颗粒吸 附剂 的制备 城 市环境 与城市生态，2 0 0 6 1 9(6)：2 4 2 5 7 Ad a ms G，J o n e P M Ki n e t i c s o f a c i d u p t a k e b y we a k b a s e a n i o n e x c h a n g e r s J J C h e m S o c ，l 9 6 9，2 4(1)：2 5 4 3 2 5 3 3 8】奚旦立，孙裕生，刘秀英合编 环境监测(第三版)【M】北京：高等 教育 出版社 2 0 0 4 (下转第 4 9页)张增胜等，水平潜流人工湿地复合系统净化农村高浊度 富营养化水体的研究 4 9 较好 的净化效果。氧化塘 内的丝状生态纤维弹性填 料有利于微生物的附着 生长，强化了微生物的种类 和浓度，提高了净化效果，但氧化塘 内的浮游植物要 定时打捞，以免浮游植物过度生长繁殖，流失到周边 水体，影响周边的水生态环境。生态陶粒比表面积 大，易于微生物 的附着生长和吸附悬浮颗粒物。植物 是湿地系统的重要组成部分，相 比较而言，在湿地植 物选择方面，香蒲的净化效果要优于灯芯草，同时湿 地植物要及时收割，避免植物在湿地 内腐烂，造成 N、P等富营养化元素重新回到水 中。参考文献：l 马立珊，骆 永明，吴永华，等 浮床 香根草对富营养化 水体氮磷 去除动态及效率的初步研究 J 土壤，2 0 0 0(2)：9 9 1 0 1 2】J e n s s e n P D，Ma e h l u m T，K r o g s t a d T P o t e n t i a l u s e o f c o n s t r u c t e d we t l a n d s f o r w a s t e w a t e r t r e a t me n t i n n o rt h e m e n v i r o n me n t s J】Wa t S c i Te c h ，1 9 9 3(2 8)：1 4 8 1 5 7 3 G r e e n wa y M S u i t a b i l i t y o f ma c r o p h y t e s f o r n u tr i e n t r e mo v a l f r o m s u r f a c e flo w c o n s t r u c t e d we t l a nd s r e c e i v i n g s e c o n d a r y tr e a t e d s e wa g e e fflu e n t i n Q u e e n s l and Au s t r a l i a J】Wa t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，2 0 0 3，4 8(2)：1 2 1-1 2 8 K J W i n t e r,D Go e t z Th e i mp a c t of s e wa g e c o m p o s i t i o n o n t h e s o i l c l o g g i n g p h e n o me n a o f v e r t i c a l fl o w c o n s t r u c t e d we t l a n d J】Wa t S c i T e c h ，2 0 0 3，4 8(5)：9-1 4 H a mme r D A C o n s t r u c t e d we t l and s f o r wa s t e wa t e r t r e a t me n t【M M i c h i gan：Le wi s P u bl i s h e r s I nc，1 9 8 9：5 2 0 M G He a l y,M Ro d g e r s J M ul q u e e n Tr e a t me n t o f d a i r y wa s t e wa t e r u s i n g c o n s t r u c t e d we t l an d s an d i n t e r m it t e n t s an d fi l t e r s Bi o r e s o ur c e T e c hn o l o gy，2 0 0 7，9 8：2 2 6 8 2 28 1 J L Ri c h a r d s o n，M J Ve p r a s k s a W e t l a n d s o i l s：g e n e s i s，h y d r o l o gy，l and s c a p e s a n d c l a s s i fi c a t i o n【M】Bo c a R a t o n，F L：C R C P r e s s，2 0 0 0 国家环境保 护总局 水和 废水监测分析 方法编委会 水与废 水监测分析方法 M】第 四版 B 京：中国环 境科 学出版社，2 0 0 2 李军，杨秀 山 微生物与水处理工程 M】北京：化 学工业出版社，2 0 0 2 Ku a n gQY，WuzB，Xi a YZ S t u d i e s o nt h e r e mo v a l e f fi c i e n c y o f a l g a e b y c o n s t r u c t e d w e t l and J Ac t a H y dro b i o l S in ，2 0 0 0，2 4 (6)：6 5 5 6 5 8 砌 伍 D】oN 0lF RI 瓜 AI，GH T【瓜BI【)EI o】)HI C W BY US G J B-s I 瓜FA CE HORI z 1 0 lNTAI，网L oW !GR A I ED C0NS T RI T ED，E1 1。ANDS S YS I 圄M Z HANG Z e n g s h e n g ，XU Go n g d i ，L I F a n g ，J I Bi n g ，L 1 U Z h e n-h o n g ，C HE N J i h u a (1 C o o f E n v i r o n me n t al S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,D o n g h u a U n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 0 5 1，C h i ne 2 C o l l e g e of C h e mi s t r y E n ginee r i n g,Q iq i h a r U n i v e ni t y,Qi q i h a e r 1 6 1 0 0 6 C h i n a)A b s 扛 a c t T h e s u b s u r f a c e h o ri z o n m l fl o w i n t e g r a t e d c o n s t r u c t e d we t l and s s y s t e m w as a d o p t e d t o t r e a t t h e r u r a l h i g h t u r b i d a n d e u t r o p h i c w a t e r a t Qi anwe i Vi l l a g e o fCh o n g mi n g I s l an d i n Sh ang h a i Th e s u b s u r f a c e h o r i z o n t a l flo w i n t e gra t e d c o n s tr u c t e d we t l and s s y s t e m wa s c o mb i n e d wi t h o x i d a t i o n po n d a n d c o n s t r u c t e d we t l and s Ec o l o g i c a l fib e r me d i a r e i n f o r c e d t h e f u n c t i o n s o f mi c r o o r g a n i s m t o for m t he mu tua l i s m r e l a tio n s h i p b e t we e n a l g a e and b a c t e r i a in t h e po nd E c o l o g i c a l c e r a mi c p a rti c l e s wi t h s p e c i fi c s u r f a c e are a i n c o n s t r u c t e d we t l an d s we r e l i a bl e t o t h e m i c r o b i a l b i ofi l m f o r ma t i o n an d s u s p e n d e d p a r t i c l e s a b s o r p t i o n As a r e s u l t t h e r e mo v a l r a t e o f C O D、T N、T P、t u r b i d i ty and p h y t o p l a n k t o n w e r e g o o d A n d the a v e r a g e r e mo v a l s we r e 5 0 5，3 8 3，5 1 5，8 8 6 and 3 1 6，r e s p e c t i v e l y T h e r e mo v a l r a t e o f T DPandN H 4+-Nwe r eb a d An dt h e a v e r a g e r e mo v a l s we r e j u s t 1 5 4 a n d 1 6 5 Th e t r e a t me n t e ffi c i e n c y wa s c h a n g e d fr o m s e a s o n t o s e aso n An d t h e b e s t t i me wa s s u mme r I n the c h o i c e o f we t l and pl ant s Ty ph a a n g u s t i f ol i a s r e mo v a l r a t e i s s u pe rio r t o Ru s h wo r d 8：o x i dat i o n p o n d；c o n s t ruc t e d we t l a n d s；e c o l o g i c a l fi b r e me d i a；c e r a mi c p a d d i n g；h i gh t u r b i d ma t t e r (上接第 3 1 页)S DY ON ADS oR I 1 0N 0F NI(】巳 L W AS n W _A，I ER BY 0N 垤ORII 0Nr I 1 巨 l，I；LY AS H PART 卫 C!I AI 卫 CO OS r I E F u G u i z h e n Z H A NG B a o-j i a n (S c h o o l o fR e s o u r c e s a n dE n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g,Wu h an U n i v e r s i t yof T e c h n o l o g y,Wu h an 4 3 0 0 7 0,C h i na)Ab s I I a c t：Th e in fl ue n t f a c t o r s o fa dso rpt i o n t o tre a t t h e n i c k e l i o n b y us i n g mo n tm o ril l o ni t e fly ash p a r t i c u l a t e c o mp o s it e s h a v e b e e n s tud i e d Th e b e s t a d-s o r p t i v e t e c h no l o g i c a l c o n d i t i o ns i s a s f o l l o ws：t h e d o s a g e o fp a r t i c u l a t e c o mp o s i t e s i s 0 2 g mg，t h e s o l u t i o n pH i s n e u tra l，o s c i l l a t i n g f r e q u e n c y i s 9 5 r rai n-，o s c i l l a t i n g t i m e i s 5 0 mi n u t e s，i ni t i a l c o nc e nt r a t i o n i s 4 0 m g L Tr e a t i n g t h e wa s t e wa t e r c o n t a i n i n g n i c k e l 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