含铜矿山废水方法

Posted 2023-01-13 水

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矿山废水含有重金属离子和各种有机、无机污染物，是导致矿山环境污染的主要原因之一。含铜矿山废水中的铜具有不可降解性和能在生物体内逐级富集的特性，如果处理不当会给生态环境造成极大的损害。吸附法是一种高效、经济的含铜矿山废水处理方法，寻求来源广泛、性能优异、成本低廉的吸附剂代替商品活性炭成为含铜矿山废水处理研究的热点之一。

活性污泥是城市污水处理厂的主要副产物，含有一定量的碳质有机物，通过高温热解将其转化为污泥活性炭吸附剂的技术得到了越来越广泛的研究。近年来，国内外学者开展了粉末状污泥活性炭固定床序批式吸附水中Cu2+的小试研究，为进一步开发具有实际应用价值的污泥活性炭吸附工艺提供了理论基础。Wang等采用微波热解污泥得到的活性炭吸附水中的Cu2+，结果表明吸附过程能够用二级反应动力学方程描述，吸附等温数据符合Langmuir模型。Rozada等的研究表明，废水pH对干污泥热解产物吸附水中Cu2+性能的影响十分显著，在废水pH为4的最佳条件下吸附量达30.7 mg/g。

本工作以城市污水处理厂活性污泥为原料，通过高温热解制备了颗粒状污泥活性炭吸附剂。采用自制的流化床吸附装置研究了该吸附剂对含铜矿山废水的吸附处理效果。

1 实验部分

1.1 材料、试剂和仪器

实验废水取自河南省某矿山，初始废水pH为4，Cu2+质量浓度为107 mg/L。实验用污泥为某城市污水处理厂脱水车间压滤后的脱水污泥，含水率为82%。所用试剂均为分析纯。

Vario Micro cube型元素分析仪：德国Elementar公司；JW-BK122W型比表面积及孔径分析仪：北京精微高博公司；S-4800型场发射扫描电子显微镜：日本Hitachi公司；PHS-3C型精密pH计：深圳市同奥科技有限公司；DHG-9140 型电热恒温鼓风干燥箱：苏州江东精密仪器有限公司；成型造粒机：自制。

1.2 吸附剂的制备

先将原料污泥制成直径2～5 mm的球状颗粒，自然干燥24 h后置于管式电阻炉中，在氮气气氛下热解碳化，反应温度控制在（700±10）℃，保温时间1 h。反应完成后将得到的颗粒状污泥活性炭自然冷却至室温，用去离子水冲洗3次，于105 ℃下干燥24 h。选取粒径为3 mm左右的颗粒状污泥活性炭作为吸附剂，颗粒状污泥活性炭吸附剂的元素组成和物化性质见表1。

1.3 实验装置及实验方法

吸附实验在自制的流化床装置中进行，装置流程示意见图1。流化床：有机玻璃制成，外径80mm、有效高度200 mm；废水槽：有效容积2 L。

1.4 分析方法

采用元素分析仪测定吸附剂中的元素组成；采用比表面积及孔径分析仪测定吸附剂的BET比表面积；采用场发射扫描电子显微镜测定吸附剂的表面物理性质；采用pH计测定废水pH。

按照GB/T 7475—1987《水质铜、锌、铅、镉的测定原子吸收分光光度法》测定废水中Cu2+的质量浓度。

按式（1）计算废水中Cu2+的去除率（η，%）。

式中，ρ0和ρt分别为初始和t时刻废水中Cu2+的质量浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 吸附剂的表征

颗粒状污泥活性炭的场发射扫描电子显微镜照片见图2。由图2可见，所制备的吸附剂具有发达的孔隙结构。

2.2 吸附时间对Cu2+去除率的影响

在初始废水pH为4、吸附剂加入量为10 g/L、废水循环流量为3.6 L/min的条件下，吸附时间对Cu2+去除率的影响见图3。

由图3可见：吸附时间少于120 min时，Cu2+去除率随吸附时间延长而迅速增大，此阶段Cu2+正由溶液扩散到吸附剂的表面，扩散阻力较小，吸附速率较高；吸附时间达120 min时，吸附基本达到平衡，Cu2+去除率为67.0%；吸附时间超过120 min后，随着Cu2+向吸附剂内部空隙的扩散，扩散阻力逐渐增大，Cu2+去除率略有下降。故本实验适宜的吸附时间为120 min。

2.3 初始废水pH对Cu2+去除率的影响

废水中铜在不同pH条件下会以Cu2+、Cu（OH）+和Cu（OH）2 3种不同形式存在，研究表明，中性至碱性条件下，以Cu（OH）2形式存在时溶液呈胶体状态，不易被吸附去除，且不利于固液分离及吸附剂的循环使用。

在吸附剂加入量为10 g/ L、废水循环流量为3.6 L/min、吸附时间为120 min的条件下，初始废水pH对Cu2+去除率的影响见图4。

由图4可见：初始废水 pH小于5 时，Cu2+去除率较低；初始废水pH为6时，Cu2+去除率达到85.2%；继续升高初始废水pH，Cu2+去除率增加不明显。本实验结果与梁霞等采用粉末状污泥活性炭固定床序批式吸附Cu2+的结论一致。这是因为，初始废水pH影响污泥活性炭表面金属吸附点位和金属离子的化学状态。在较低的pH条件下，污泥活性炭表面的活性基团会被H3O+占据，从而阻碍其对Cu2+的吸附。随初始废水pH升高，污泥活性炭表面官能团被质子化，表面电势密度降低，Cu2+与污泥活性炭表面的静电斥力减少，而污泥活性炭上负电势点增多，因而有利于Cu2+的吸附。故本实验适宜的初始废水pH为6。

2.4 吸附剂加入量对Cu2+去除率的影响

在初始废水pH为6、废水循环流量为3.6 L/min、吸附时间为120 min的条件下，吸附剂加入量对Cu2+去除率的影响见图5。由图5可见：随着吸附剂加入量的增加，Cu2+去除率逐渐升高；当吸附剂加入量大于15 g/L后，Cu2+去除率升高的趋势趋于平缓，保持在98.0%左右。这是因为吸附剂加入量增加可提供更多的吸附活性点位，吸附的Cu2+的绝对量同时增加，达到吸附平衡时的平衡浓度降低，因而Cu2+去除率升高。故本实验适宜的吸附剂加入量为15 g/L。

2.5 废水循环流量对Cu2+去除率的影响

在初始废水pH为6、吸附剂加入量为15 g/L、吸附时间为120 min的条件下，废水循环流量对Cu2+去除率的影响见表2。

由表2可见：废水循环流量为6.0 L/min时，Cu2+去除率最高，为98.2%，且废水循环流量对吸附量和Cu2+去除率的影响均不大。

2.6 小结

在初始废水pH为6、吸附剂加入量为15 g/L、废水循环流量为6.0 L/min、吸附时间为120 min的最佳实验条件下，废水Cu2+去除率为98.2%。。

3 结论

以活性污泥为原料，高温热解制备了颗粒状污泥活性炭吸附剂。在自制的流化床吸附装置上研究了该吸附剂对含铜矿山废水的吸附处理效果。吸附剂处理废水的适宜的实验条件为：初始废水pH 6、吸附剂加入量15 g/ L、废水循环流量6.0 L/min、吸附时间120 min；在此最佳实验条件下，废水中Cu2+去除率达98.2%。