凹凸棒石复合吸附剂处理含锌电镀废水的研究

Posted 2023-01-12 吸附剂

篇首语：明天的希望，让我们忘了今天的痛苦。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了凹凸棒石复合吸附剂处理含锌电镀废水的研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

以凹凸棒石和粉煤灰为原料，添加一定量的粘结剂混合造粒制成复合颗粒吸附剂，用于处理含Zn2+废水。实验研究了吸附材料的投加量、吸附反应时间及pH值对颗粒复合材料对锌离子吸附去除率的影响。通过正交试验研究得出凹凸棒石/粉煤灰颗粒复合材料优化吸附工艺条件为：颗粒吸附材料投加量为0.05g/mL，溶液pH为8，吸附反应时间为60min。处理含锌离子浓度为13.86mg/L的电镀废水，锌离子去除率达到87.79%，处理后残留锌离子浓度为1.692mg/L，达到国家污水综合排放一级标准。
凹凸棒粘土是指以凹凸棒(Attapulgite)为主要成分的一种粘土矿物。它是一种具有独特性能的层链状分子结构的含水富镁铝硅酸盐矿物。它具有独特的层链状晶体结构和十分细小(约0.01μm×1μm)的棒状、纤维状晶体形态。凹凸棒粘土具有独特的分散、耐温、耐盐碱等良好的胶体性质和较高的吸附脱色能力，具有一定的可塑性和粘结力，使其在各行各业得到广泛应用。凹凸棒土在净化重金属污水及印染废水的脱色中，用量小，并且适用的pH范围广，效率高，是一种价格低廉的废水处理剂。电镀是工业上通用性强、涉及面广的行业之一，几乎所有工业部门都有电镀加工。由于其跨行业分散在各工业部门，缺乏统一的协调和规划，加之工艺比较落后，技术力量薄弱，装备得不到更新，因此电镀厂每年要排放大量的电镀废水，重金属离子是电镀废水中的重要污染物，如不加以治理，将对环境造成严重的污染。
实验的目的就是通过制备具有高吸附性能的凹凸棒/粉煤灰复合颗粒吸附剂，吸附电镀废水中的锌离子，探讨各不同条件下的吸附性能，寻求最佳的处理工艺条件，使重金属离子得以去除，以寻求经济、高效、可行的重金属处理方法。
1 实验
1.1 原料
试验采用的凹凸棒石原矿取自安徽明光官山，属沉积型凹凸棒石，其主要成分为SiO2，Al2O3，MgO，H2O等；经武汉理工大学材料测试中心分析其化学成分为：SiO2：55.6%，Al2O3：9.0%，Fe2O3：6.70%，TiO2：0.63%，CaO：1.95%，MgO：11.35%，
K2O：1.30%，Na2O：0.11%，MnO：0.63%，烧失量：11.80%，总计：99.05%。
试验所用粉煤灰取自湖北武汉某火力发电厂的干排粉煤灰。经武汉理工大学材料测试与研究中心X射线荧光光谱仪定量分析其化学成分为SiO2，Al2O3，MgO，H2O等；经武汉理工大学材料测试中心分析其化学成分为：SiO2：38.66%，Al2O3：20.86%，Fe2O3：4.25%，TiO2：0.98%，CaO：18.94%，MgO：1.21%，
K2O：1.81%，Na2O：0.42%，SO3：3.33%，P2O5：0.35%，烧失量：8.64%，总计：99.45%。将凹凸棒石、粉煤灰、添加剂、水按一定比例混合，混合时注意应先将凹凸棒粉末与粉煤灰充分混合，陈化24h，手工制成粒径约1～2mm颗粒，制作完成后，将球形颗粒在自然条件下风干约40min，然后在105℃干燥箱内烘干约40min，最后置于马弗炉中焙烧30min成型，冷却后即得到所需颗粒吸附材料。
1.2 主要的实验设备及试剂
主要的实验设备有电子天平，回转吸附反应槽，分光光度计，马弗炉和电热恒温干燥箱。
主要的实验试剂为七水硫酸锌(ZnSO4.7H2O)，抗坏血酸(C6H8O6)，氟化铵(NH4F)，L-半胱氨酸(NH4F)，L-半胱氨酸(L-C6H12N2O4S2)，无水乙酸钠(CH3COONa)，冰乙酸(CH3COOH)，二甲酚橙(C31H32N2O13S)，品级均为AR级。
2 结果与讨论
2.1 pH值对吸附效果的影响
取100mL水样于5个250mL的锥形瓶中，室温下调节其pH值依次为2，4，6，8，10，加入凹凸棒/粉煤灰复合吸附颗粒吸附剂，将上述5个锥形瓶置于吸附反应频率为120r/min的回转吸附反应槽上吸附反应60min后，过滤测定滤液中残余锌离子浓度。测定结果见图1所示。

由图1可以看出，pH对凹凸棒/粉煤灰复合吸附颗粒吸附废水中锌离子的影响显著。当pH=2左右时，吸附效果不理想；当pH>7时，吸附效果变化不显著；当pH=6时，吸附去除率为85.20%，残留的废水中锌离子浓度为2.05mg/L，pH=8时，吸附去除率为88.11%，残留的废水中锌离子浓度为1.65mg/L。故在中性环境下凹凸棒/粉煤灰复合颗粒对锌离子的吸附效果较好。基于以下2点考虑：1)从吸附效果上看，pH在中性附近时，处理效果较好；2)在废水处理中，pH本身也是一项控制的指标，排水一般要求达到中性。故取最适宜pH=7。
2.2 吸附剂用量对吸附效果的影响
取100mL水样于5个250mL的锥形瓶中，在室温下调节其pH=7后，依次在锥形瓶中投加1g，3g，5g，7g，9g凹凸棒/粉煤灰复合吸附颗粒，将上述5个锥形瓶置于吸附反应频率为120r/min的回转吸附反应槽上吸附反应60min后，过滤测定滤液中的残余的锌离子浓度。测定结果见图2所示。

从图2可以看出：随着凹凸棒/粉煤灰复合吸附材料的增加，吸附去除率逐渐增大。当吸附剂投加量较低时，吸附效果显著增加，当吸附剂投加量为0.05g/mL时，吸附去除率为87.30%，残留的废水中锌离子浓度为1.76mg/L；当吸附剂投加量大于0.05g/mL时，吸附率增加不显著。故取吸附剂投加量为0.05g/mL为宜。
2.3 吸附反应时间对吸附效果的影响
取100mL水样于5个500mL的锥形瓶中，在室温下调节其pH=7后，在每个锥形瓶中投加凹凸棒/粉煤灰复合吸附颗粒，将上述5个锥形瓶置于吸附反应频率为120r/min的回转吸附反应槽上分别吸附反应20min，40min，60min，80min，100min后，过滤测定滤液中的残余的锌离子浓度。测定结果见图3所示。

从图3可以看出：随着吸附反应时间的延长，吸附去除率逐渐增大。吸附时间从20min到40min时，吸附效果显著，当吸附时间为40min时，吸附去除率为87.95%，残留的废水中锌离子浓度为1.67mg/L；当吸附时间大于40min时，吸附效果不显著。因此取最佳吸附反应时间t=40min。
2.4 正交试验
上述探讨了各个单因素(pH值、颗粒吸附剂用量、吸附反应时间)对凹凸棒/粉煤灰复合吸附材料吸附锌离子效果的影响，初步确定了单个试验条件值，但那只能反映单个试验因素作用下凹凸棒/粉煤灰吸附材料去除电镀废水中锌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凹凸棒/粉煤灰吸附材料去除锌离子的优化条件，进行了3个因素3个水平的正交试验。其正交试验因素见表1所示。
正交试验及其结果如表2所示。

由表2极差分析可以看出：凹凸棒/粉煤灰颗粒吸附剂的投加量对废水中锌离子吸附性能的影响最显著。3种因素的影响程度顺序为：颗粒吸附剂投加量>吸附反应时间>pH值，说明在废水处理中控制凹凸棒/粉煤灰的投加量至关重要，这不仅关系到处理效果的好坏，而且关系到处理成本的高低。
由表2正交试验结果可以看出，编号5的处理效果最好，锌离子的吸附去除率达到87.79%，吸附后的废水中锌离子浓度仅为1.692mg/L，低于国家污水综合排放标准(GB8978—1996)中的一级标准(2mg/L)。
3 结语
综上所述，通过正交试验研究结果表明：颗粒投加量、吸附反应时间和pH值3种因素对电镀废水中锌离子吸附性能影响程度顺序为：颗粒投加量>吸附反应时间>pH值。由此确定凹凸棒/粉煤灰颗粒复合材料优化吸附工艺条件为：颗粒吸附材料投加量为0.05g/mL，吸附反应时间为60min，溶液pH为8。颗粒吸附材料在上述优化工艺条件下处理含Zn2+浓度为13.86mg/L的电镀工业废水，其残留浓度低于国家污水综合排放标准。