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第3 3 卷第5 期 2 0 0 4 年9 月 中国矿业大学学报 I o u , n a lo fC h i n aU n i v e x s i t yo fM i n i n g &T e c h n o l o g y 文章编号1 0 0 0 。1 9 6 4 2 0 0 4 0 5 0 5 4 7 0 5 煤泥水中黏土颗粒对钙离子的吸附 实验研究及机理探讨 V 0 1 ..3 3N o .5 S e p .2 0 0 4 张明青,,刘炯天2 ,李小兵2 1 ..中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州2 2 1 0 0 8 ;2 。中国矿业大学化工学院,江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要通过静态 搅拌 实验,研究了吸附时间、p H 值、钙离子浓度等因素对钙离子在煤系黏土 主要为高岭土和蒙脱土 表面的吸附规律,实验结果表明随着吸附时间的延长,钙离子在2 种 实验样品表面吸附量先不断增大而后趋于平衡;蒙脱土表面的钙离子吸附量随溶液p H 值的升 高而增加,高岭土表面钙离子的吸附量在溶液p H 值介于6 .5 到7 .0 时最小,小于6 .5 时吸附量 随p H 值的增大而缓慢减小,大于7 .0 时吸附量随p H 的增大而迅速增加;2 种吸附过程都符合 l a n g m u i r - 等温吸附规律.钙离子在样品表面3 种可能的吸附形式为一羟基络舍、C a O H 2 沉淀和 离子静电吸附. 关键词煤泥水;黏土颗粒;钙离子;吸附 中图分类号T D9 4文献标识码A A d s o r p t i o nP r o p e r t i e sa n dM e c h a n i s mo fC a l c i u mI o n s o nC l a yP a r t i c l eS u r f a c ei nC o a lS l u r r y Z H A N GM i n g - q i n g I ,L I UJ i o n g t i a n 2 ,L IX i a o b i n 2 1 .S c h o o lo fE n v i r ’o n m e n tS c i e n c ea n dS p a t i a lI n f o r m a t i c s ,C U M T ,X u z h o u ,.J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ,C h i n a ; 2 。S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ,C U M T ,, I i a n g s uX u z h o u2 2 1 0 0 8 ,C h i n a A b s t r a c t T h ea d s o r p t i o np r 。o p e r t i e so fc a l c i u mi o n so nc l a yp a r ’t i c l eS U l ’f a c e s u c ha sk a o l i na n d m o n t m o r i l l o n i t e i nc o a ls l u r r Yu n d e lt h ei n f l u e n c eo fa d s o r ’p t i o nt i m e ,p Hv a l u e ,a n dc a l c i u mi o n c o n c e n t i a t i o nw e i es t u d i e db ys t a t i ce x p e r - i m e n t s .。E x p e r - i m e n tr e s u l t ss h o wt h a ta d s o r p t i o na m o u n t o fc a l c i u mi o n si n c I e a s e sg I a d u a l l ya t ‘t h eb e g i n n i n ga n dt h e nt e n d st oac o n s t a n ta sa d s o r ’p t i o nt i m e i n c r - e a s e s .T W Ok i n d so fa d s o r p t i o np i o c e s sf o l l o w t h eL a n g m u i ra d s o r p t i o ni s o t h e r m .T h e a d s o r p t i o na m o u n to fc a l c i u mi o n so nm o n t m o i i l l o n i t eS U I f a c ei n c I e a s e sa sp Hv a l u ei n c i ’e a s e s .T o t h ea d s o i p t i o na m o u n to fc a l c i u mi o n so nk a o l i n ,w h e np Hv a l u ei Sl e s st h a n6 .5 ,t h ea d s o r 。p t i o n a m o u n tr e d u c e sa sp Hv a l u ei n e t - e a s e s w h e np Hv a l u ei Sg I ’e a t e i ’t h a n7 .0 ,t h ea m o u n ti n c l e a s e s r a p i d l ya sp H ’v a l u ei n c r ’e a s e s ;w h e np Hv a l u ei sb e t w e e n6 .5a n d7 .0 ,t h ea d s o I 。p t i o na m o u n ti st h e m i n i m u m .E x p e r ’i m e n ta n a l y s i sa l s os h o w st h a th y d t ‘o x yc o m p l e x a t i o n ,C a 0 H 2p i ’e c i p i t a t i o na n d i o ne l e c t r - o s t a t i ca d s o I p t i o na I - et h et h r e ep o s s i b l ea d s o r ’p t i o nf o r m so fc a l c i u mi o no ns a m p l eS U l f a c e . K e yw o r d s c o a ls l u i r y ;c l a y .p a l 。t i c l e s ;c a l c i u mi o n s ;a d s o r p t i o n 煤泥水中粒度小于2 肛mE S D 等沉直径 的微 细颗粒主要是黏土矿物颗粒叫,这些颗粒的聚沉稳 定性决定着煤泥水处理的难易程度.近年来的研究 工作和生产实践表明煤泥水中黏土矿物最常见的 收稿日期2 0 0 3 1 2 1 2 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 1 7 4 0 5 3 作者简介张明青 1 9 7 5 一 ,女,山西省阳泉市人,中国矿业大学博士研究生,从事工业水处理方面研究 万方数据 5 4 8中国矿业大学学报第3 3 卷 为高岭土和蒙脱土,煤泥水硬度是决定这些颗粒聚 沉稳定性的关键因素之一.例如大屯选煤厂和权台 选煤厂人洗原煤矿物组成相似,在生产过程中大屯 选煤厂煤泥水可以在较短时间内自然澄清,而权台 选煤厂煤泥水静置数天以至数月都不能自然澄清. 相比较而言,大屯选煤厂循环水硬度高达5 3 .2 6 H 。 德国度 ,而权台选煤厂循环水硬度仅为3 .6 5 H 。. 煤泥水中钙镁离子的来源是广泛的.姘b J J n 水 本身硬度、含钙镁矿物的溶解以及黏土组分的解吸 等.在难处理煤泥水中,这些钙镁离子浓度往往达 不到使煤泥水中黏土颗粒快速沉降的效果.近年 来,国内科研、生产单位先后用矿物型凝聚剂M C 中国矿业大学专‘利产品 [ 2 ] 、石灰、废弃电石‘渣等 钙盐类凝聚剂来处理煤泥水[ 3 ] ,取得了良好的处理 效果.李亚峰等应用D L V O 理论对钙离子在煤泥 颗粒表面的吸附现象做了解释[ 4 ] .但对于吸附过程 的深入研究,如溶液化学因素对钙离子吸附量的影 响、吸附过程的变化规律以及钙离子在黏土表面吸 附机理等还未见诸报道.本文以高岭土和蒙脱土作 为研究对象,考察了钙离子在两种实验样品表面的 吸附规律,探索了其内在机制,为钙盐类凝聚剂处 理煤泥水过程提供一定的理论指导. 1 试样、药剂和研究方法 1 .1 试样与药剂 实验所用高岭土和蒙脱土样品分别取自北京 房山陶瓷绘料厂和徐州本地.利用虹吸方法制得粒 度小于2 /x m E S D 的颗粒,经过提纯、过滤、烘干得 到所需实验样品. 实验所用水为蒸馏水,调节溶液p H 值的 N H 。H 。O ,H C l 和实验过程所用的C a C l 。,K C l 均 为分析纯样品. 1 .2 研究方法 1 .2 .1钙离子浓度测试和吸附量计算 采用离子计测定溶液中钙离子浓度.离子计选 择P X S J _ 一2 1 6 型 美国奥立龙公司产 ,钙离子电 极为4 0 2 型电极.使用K C l 作为离子强度调节剂, 保持待测溶液K C l 浓度为0 .1M . 测试溶液中吸附实验前后钙离子浓度,同步做 空白样品校正,用以消除系统误差 如玻璃器皿对 钙离子的吸附影响 ,以下所有的吸附实验均做空 白校正实验.用式 1 计算c a 2 的表观吸附量 r C o G .一△∥。 秽4 0 / m 1 0 0 0 , 1 式中r 为表观吸附量,m g /g ;C o ,C c 分别为C a 2 的 初始浓度和平衡浓度,m m o l /I 。;m 为样品质量 1 .0 0 00g ;u 为溶液体积,m I 。;A C ’。为空白样校 正钙离子浓度差,m m o l /L . 1 .2 .2 钙离子的吸附平衡时间确定 准确称取1 .0 0 00 0 .0 0 01 g 高岭土和蒙 脱土样品若干份,分别加入1 0 0m I 。初始浓度为 4 .0 4 8m m o l /L 和1 9 .0 6 1m m o l /L 的钙离子标准 溶液.振摇,使粉末样品全部分散,然后放入温度为 2 0 1 。C 的恒温振荡器中,取不同振荡时间的样 品,离心分离 8 0 0r /m i n ,2 0m i n ,取上清液,测定 其中c a 2 浓度.计算钙离子表观吸附量,结果如图 1 所示. 7 霹 。D4 墨i 1 O 蒙脱土 0 5l0l5 20 2 5 3 0 3 5 4 04 .55 0 t /h 图1 吸附量与时间关系 F i g .1 A d s o r p t i o nc a p a c i t yo fc a l c i u mi r o n a saf u n c t i o no ft i m e 该实验结果表明高岭土吸附平衡时间大于1 h ,蒙脱土吸附平衡时间大于2h ,所以取2h 和3h 分别作为高岭土和蒙脱土的平衡吸附时间.两个吸 附过程都表现为⋯个快速吸附阶段和一个慢速吸 附阶段.快速吸附阶段吸附量占总吸附量的9 0 % 左右.慢速吸附阶段吸附量逐渐趋于平衡. 1 .2 .3p H 值对吸附量的影响测定 准确称取1 .0 0 00 0 .0 0 01 g 高岭土和蒙 脱土样品若干份,分别加入。1 0 0m I 。初始浓度为 4 .0 4 8m m 0 1 ./L 和1 9 .0 6 1m m o l /L 的钙离子标准 溶液.用N H 3 H 。O 和H C l 调节至不同的p H .值. 用离子计测定其中钙离子准确浓度,用酸度计测定 溶液准确的p H 值.在2 0 土1 C 下振荡至吸附平 衡,离心分离,取上层清液,测定其中的钙离子浓 度,计算表观吸附量.结果如图2 a ,b 所示. 1 .2 .4 钙离子浓度叉寸吸附量的影响测定, 配置⋯系列不同浓度的钙离子溶液,保持溶液 p H 值为7 .0 ,用离子计测定其精确浓度.准确称取 1 .0 0 00 0 .0 0 01 g 高岭土和蒙脱土样品若干 份,加入上述钙离子溶液中.在2 0 1 1 。C 下振荡 至吸附平衡,离心分离,取上层清液测定其中的钙 离子浓度,计算表观吸附量.结果如图3 所示. 万方数据 第5 期张明青等煤泥中黏土颗粒对钙离子的吸附实验及机理探讨5 4 9 ,1 铀 品 宣 ≤ 04 05 06 07 08 09 01 0 0 p H 值 a 高岭土 2 6 2 2 1 8 1 4 1 0 304 0506 07 08 09 0 1 00 p H 值 b 蒙脱土 图2 吸附量与p H 值关系 F i g ..2 E l f e c to fp Hi nt h ea d s o I p t i o np r o c e s so fc a l c i u m 01 02 0 3 0 4 0 5 06 07 0 8 0 9 0 c o / m m o l L 1 1 图3 吸附量与钙离子浓度关系 F i g .3 A d s o r p t i o nc a p a c i t yo fc a l c i u mi r o na s f u n c t i o no fc o n c e n t r a t i o n 2 钙离子的吸附规律 2 .1p H 值对吸附量的影响 随着溶液p H 值的变化,钙离子在高岭土和蒙 脱土表面的吸附量呈现两种不同的变化趋势. 高岭土对水溶液中钙离子的吸附分3 种情况 1 当p H 值小于6 .5 时,吸附量随p H 值的增 大而缓慢减小; 2 当p H 值大于7 .0 时,吸附量随p H 的增大 而迅速增加; 3 当p H 值介于6 .5 到7 .0 之间时,吸附量最 小. 结晶完好的高岭土结构上主要存在两种类型 的电荷[ 5 ] 一种是基面上恒定的负电荷,它是由硅 氧四面体中的部分S i 4 被A 1 3 代替产生的.这些负 电荷不随外界环境变化而变化;高岭土侧面存在大 量I A 1 0 H ,当溶液中存在大量H | j 寸 也即溶液呈 酸性 ,; A 1 0 H 接受质子,带正电荷.当溶液中H 减少,O H 一增加 溶液呈碱性 时,I A 1 0 H 离解,形 成断键 A l O 一,可以吸附溶液中的阳离子.由此, 在溶液呈酸性时,仅仅由其基面上的负电荷吸附水 中的钙离子;当溶液呈碱性时,除了上述吸附作用, 晶体侧面的 A 1 0 一也吸附水中的钙离子,因此吸 附量大大提高.当溶液p H 值介于酸性和碱性之间 时, A 1 0 H 尚未大量脱氢而造成活性位置缺乏, 同时由于O H 一增多,基面对钙离子的吸附能力也 有所下降,所以表现为p H 值在6 .5 到7 .o 之间 时,吸附量最小. 从图2 b 可以看出 1 在溶液p H 值小于7 的条件下,蒙脱土叉寸溶 液中钙离子的吸附量随p H 值的升高而缓慢增加; 2 当溶液p H 。值大于7 时,吸附量增长速度大 大提高. 蒙脱土的表面电荷来自3 方面[ 6 ] ,基面上类质 同晶产生的负电荷、S i 一0 和A 卜 O ,O H 在水介 质中会发生断裂造成端面破键,八面体片在端面的 离解产生的电荷.不论溶液呈酸性或碱性,由于类 质同晶产生的负电荷始终可以吸附钙离子.当溶液 中H 较多时,存在着H 和钙离予的竞争吸附,因 此基面吸附量随p H 值的降低而减少.当p H 值小 于7 时,因破键吸附H 十,使端面带正电荷,对水中 钙离子基本上没有吸附力,当p H 值大于7 时,端 面破键部分带负电荷,可以吸附钙离子.蒙脱土八 面体片在酸性介质中O H 一 或A l O e - 离解占优 势,端面为正电荷;在碱性介质中A 1 3 离解占优 势,端面为负电荷,因此八面体片的晶格解离对钙 离子的吸附规律和侧面破键是一致的.所以水溶液 为酸性时,仅仅由基面负电荷吸附钙离子,吸附量 很小.当水溶液为碱性时,上述3 种吸附位共同作 用,因此使吸附量迅速增加. 2 .2 钙离子浓度对吸附量的影响 从图3 可以看出,随着溶液中钙离子浓度的增 加,实验样品的吸附量迅速增加而后趋于平衡,符 合典型的L a n g m u i r 等温吸附规律.用最小二.乘法 对方程进行关联,结果如表1 .从它们的相关系数, 值可以看出,高岭土和蒙脱土对钙离子的吸附都可 以用L a n g m u i r 方程来描述.它们的相关系数均达 到了显著相关水平. L a n g m u i l 方程中x 为吸附量;X 。为最大饱 和吸附容量,与吸附量有关;c 为钙离子浓度;K 为 结合能常数,反映黏土矿物对金属离子的亲和力. 比较高岭土和蒙脱土的x 。和K 值,可以发现其大 小顺序是一致的.说明钙离子在蒙脱土表面比在高 岭土表面具有更高的结合能,因此相应的饱和吸附 容量也较大.L a n g m u i i 等温吸| j { 寸规律在解释化学 吸附过程获得很大成功[ 6 ] .由此说明煤泥水中钙离 子在黏土颗粒表面的吸附不仅仅是静电吸附,而且 还存在一部分化学吸附. O O O O 8 6 4 2 一.∞.∞邑亡 万方数据 5 5 0中国矿业大学学报第3 3 卷 表1实验样品对钙离子的等温吸附方程 T a b l e1I s o t h e r m so fc a l c i u mi r o no nc l a yp a r t i c l e L a n g m u i I - 方程 i 1 一瓦I 十, 夏瓦1 虿I 参数 高岭土 蒙脱土 X 。 2 .I2 5 72 3 8 .8 9 80 K 0 .2 5 07 0 .3 0 74 3 吸附机理探讨 3 .1钙离子在煤泥水中的存在状态 4 5 .0m g /L 钙离子的水解组分浓度对数图计 算结果表明p H 值在8 .0 以前,钙离子占绝对优 势闭.p H 值8 .0 以后,钙离子的一羟基络合物 C a O H 十浓度逐渐增大,并出现了C a O H 。 a q 组 分.在p H 值1 2 .0 左右,3 组分浓度相等,C a O H 达到最大值. 煤泥水正常的p H 值范围为6 .0 到9 .0 ,说明 在煤泥水中,钙离子是以3 种形式存在的.在上述 吸附实验中溶液配置到特定浓度后,再用离子计测 定其精确浓度,所以排除了以C a O H 。 a q 形式存 在而对后续吸附量计算所产生的干扰. 3 .2 钙离子在黏土矿物表面的吸附 如上所述,黏土颗粒由于类质同晶现象和结构 破键等造成其在水溶液中带负电荷.因此煤泥水中 钙离子在黏土颗粒表面的吸附肯定包括~部分静 电吸附. 此外,关于金属离子在矿物表面的吸附形式主 要有⋯羟基络合假说和表面沉淀理论等口] .M .C . F u e z s t e n a u 等在研究浮选过程中金属离子的活化 作用时,提出了一羟基络合学说.目前,一羟基络合 物假说仍然常用来解释金属离子韵吸附作用.煤泥 水正常的p H 值范围为6 .0 到9 .0 ,在此范围内黏 土颗粒表面存在大量的硅羟基和铝羟基.钙离子在 p H 值为8 .0 以后出现C a O H ,且浓度随p H 值的 升高而增大.因此在p H 值大于8 .0 的煤泥水中钙 离子在黏土矿物表面可能的吸附过程表示如下 A I O H C a O H A 1 一OH I _ I OC a A 1 - O C a H 2 0 S i O H C a 0 H S i 一0H H OC a S i ~O C a - .- H 2 0 带正电荷的钙氧基还可‘以吸附水溶液中负电 荷. J a m e s 等人在测定金属离子在S i O 。表面的吸 附时,发现C o 的吸附不能完全归因于C o O H 的吸 附.王淀佐、胡岳华指出[ 川,金属离子在界面区域与 在溶液中的性质存在较大区别表面沉淀生成的界 面溶度积K ≥比金属离子在溶液中形成氢氧化物 沉淀的溶度积K s p 小,两者之间存在如下关系 l o g K 。/K 品 一 G 船’ G 函 /2 .3 0 3 R T 式中G 龆。,G 函分别表示电场对金属离子和氢氧根 标准自由能的贡献,为正值;尺,丁分别为气体常数 和温度. 氢氧化钙的K 品计算结果如表2 表2C a O H 2 的酶 T a b l e2T h eK s po fC a O H 2 钙离子的界面溶度积K S p 低于溶液中溶度积 K 。。1 .5 倍,说明钙离子在煤泥水中黏土颗粒表面 比在煤泥水中更容易形成沉淀. 在界面区域,i 组分的浓度a 活度 将大于它 在溶液中的浓度C 。.a 和G 之间存在以下关系 C ; C 。e x p [ /4 “ - f r o /R T ] 式中膳”,膳分别表示i 组分在界面上和溶液中的 标准化学势. 据计算,钙离子在p H 值为4 .0 到1 0 .0 ,浓度 为1 .o 1 0 叫M 时,界面区域的浓度将为0 .8 6M , 几乎是溶液浓度的1 0 4 倍.我们对数十家煤泥水水 质调查结果中,钙离子浓度最低为1 .o 1 0 _ 3 M ,因 此煤泥水中黏土颗粒界面钙离子的浓度也将大大 超过煤泥水中钙离子浓度. 界面区域的p H 值p H 5 和溶液的p H 值关系为 p H 8 p H e I I b d / 2 .3 0 3 R T 式中e ,机分别表示电子电荷和颗粒表面电位. 当表面电位‘机为负值.时,p H 5 小于p H ,当她 为正值时‘,p H 8 大于p H . 虽然煤泥水中黏土颗粒表面电位幽通常为负 值,p H 8 小于p H ,但其中的钙离子含量往往大大超 过1 .o 1 0 _ 4M ,K 茹又小于K 印,因此钙离子的实际 界面浓度可能超过K 茹所对应的a 有待于进一步 研究证实 .所以煤泥水中一部分钙离子在黏土颗 粒表面可能以C a O H 。沉淀形式吸附,具体形式 表示如下 以硅为例 2 S i O H C a O H 2 一C a S i _ 一H H O \ S i o H H ∥ 三兰≥C a 2 H z O S i 一∥ 综上所述,钙离子以静电作用吸附压缩了黏土 颗粒表面双电子层,钙羟基络合产生正电荷,两种 万方数据 第5 期张明青等煤泥中黏土颗粒对钙离子的吸附实验及机理探讨5 5 1 作用都降低了颗粒表面电位,提高了颗粒之间相 互碰撞吸附几率.在这两种作用下,颗粒之间的相 互作用符合经典的D L V O 理论.方启学在钙镁离 子对微细矿物颗粒分散稳定性研究中认为[ 8 ] ,矿物 表面c a O H 。为亲水沉淀,颗粒之间通过表面沉 淀的桥连作用发生非选择性絮凝.因此煤泥水中颗 粒之间相互作用可能包括非选择性絮凝和碰撞吸 附两种方式. 4 结论 1 煤泥水中钙离子在高岭土表面的吸附平衡 时间小于在蒙脱士表面的吸附平衡时间;蒙脱土表 面钙离子吸附量随p H 值升高而增加;高岭土的钙 离子吸附量在p H 值为6 .5 到7 .0 之间最小,p H 值小于6 .5 时,吸附量随p H 值增大而缓慢减小, p H 值大于7 .0 后,吸附量快速增大;蒙脱土和高岭 土的吸附规律都符合L a n g m i m 等温吸附规律,相 关系数分别为0 .9 9 和0 .9 6 . 2 钙离子在煤泥水中黏土颗粒表面除包括静 电吸附外,由于煤泥水中蒙脱土和高岭土表面存在 大量的硅羟基和铝羟基,所以在p H 值大于8 .0 的 煤泥水中可能存在一羟基络合吸附;虽然黏土颗粒 界面p H 8 小于溶液中p H ,但K i p /J , 于K 州C ;大于 C ,所以黏土颗粒表面还可能存在沉淀吸附. 参考文献 [ 1 ]范彬..循环水聚沉稳定性的特点电解质阳离 子对循环水聚沉作用的研究[ D ] ..徐州中国矿业大 学化工学院,1 9 9 5 .. 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F a n gQX 。R e s e a i c ho nt h eE f f e c t 。a n dM e c h a n i s mo i C a l c i u ma n dM a g n e s i u mo nF i n eP a t t i c l eD i s p e i s i o n [ T lE x t e r n a lM e t a l l i cM i n e i a lP r 。o c e s s i n g ,1 9 9 8 , 6 4 2 4 5 . 责任编辑李成俊 万方数据
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