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蒙脱石颗粒吸附剂的制备及除锌研究 ＊ 付桂珍 龚文琪 陈 治 武汉理工大学资源与环境工程学院, 武汉 430070 摘要 以蒙脱石为原料, 粉煤灰为激发剂, 添加一定量的黏结剂混合造粒制成复合颗粒吸附剂, 用于处理含 Zn2废水, 实验研究了蒙脱石 粉煤灰混合比例、焙烧温度、添加剂用量等因素对复合颗粒强度和吸附性能的影响。 研究结果表 明, 制备复合颗粒较佳的工艺条件为 蒙脱石与粉煤灰的混合比为 6∶ 4, 焙烧温度 105 ℃, 硅酸钠的添加比例为 15 蒙脱石 粉煤灰混合物质量。 制成的颗粒吸附剂不仅吸附效果好, 而且其散失率较低。 关键词 蒙脱石; 粉煤灰; 造粒; 吸附 STUDY ON PREPARATION OF GRANULATED ABSORBENT OF MONTMORILLONITE FOR TREATMENT ZINC FuGuizhen Gong Wenqi Chen Zhi School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China Abstract Granulated absorbent was prepared by a mixture of montmorillonite, fly ash and a certain amount of cementing agent. The granulated absorbent was used to treat the waste water containing Zn2.The mixture ratio of montmorillonite fly ash, the roasting temperature and the amount of cementing agent were investigated.The experimental results showed that the optimal technological conditions of preparing the composite granules were as follows the mixture ratio of montmorillonite and fly ash was 6 4; the roasting temperature was 105℃;and the proportion of sodium silicate was 15 of the mass of the montmorillonite fly ash mixture.The granulated absorbent prepared under the above conditions exhibited not only high adsorptive perance but also low ratio of disintegration loss. Keywords montmorillonite; fly ash; granulation; adsorption ＊教育部科学技术研究重点项目 02052 。 0 引言 一些工业废水中含有大量的毒性重金属离子 ,如 Cu 2 、 Pb 2 、 Zn 2 、 Cr 6 、 Ni 2等 。这些重金属离子因其 毒性大,持续时间长而极大地危害着人类的健康。为 消除含重金属离子废水对环境特别是人类自身的危 害,现已开发出多种重金属废水的处理技术。其中备 受人们关注的是用廉价的黏土矿物或粉煤灰等工业 废渣等作为吸附材料来除去废水中的重金属离子的 处理技术 ,具有明显的经济效益和社会效益。 经过改性的黏土矿物或粉煤灰均具有较强的吸 附脱色能力和良好的重金属离子吸附容量,在废水处 理中具有很大的应用潜力 ,但这些方法多采用粉末状 吸附剂处理废水 ,粉状吸附材料粒度细 , 遇水后易分 散粉化 ,造成后续固液分离十分困难, 易形成新的工 业污泥,这种工业污泥因重金属离子的富集对环境的 二次污泥危害性更大 。所以粉末状吸附剂虽然处理 效果不错, 但后处理工艺较复杂, 在实际应用中粉状 吸附剂很难实现动态吸附, 易造成堵塞 , 使吸附无法 连续进行下去; 静态吸附处理存在着固液分离和再生 困难等问题 ,增大处理费用,甚至导致二次污染。 由于粉状吸附材料在废水处理中存在上述问题, 国内外不少学者们进行了吸附材料的造粒研究 。L. Zeng 研究了硅铁氧化物颗粒吸附剂的制备方法及其 用作吸附柱去除溶液中的砷。马万山等将天然沸石 粉与易燃微粉按一定比例混合 , 挤压造粒 ,灼烧成多 孔质高强度沸石颗粒吸附剂 DKFS 。然后将其用于 对Zn 2的吸附, 研究了溶液 pH 值和Zn2离子的初始 浓度对吸附反应的影响。 本文研究了蒙脱石颗粒吸附剂的制备工艺条件及 45 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 其对重金属 Zn 2的吸附性能影响 。以蒙脱石为原料 , 粉煤灰为激发剂, 添加一定量的黏结剂混合造粒制成 颗粒吸附剂 ,考察了蒙脱石 粉煤灰混合比例、焙烧温 度、 添加剂用量等因素对复合颗粒强度和吸附性能的 影响。该研究成果对开发黏土矿物和粉煤灰在含重金 属离子废水处理应用方面 ,具有一定的指导意义。 1 实验 1. 1 实验材料 1. 1. 1 蒙脱石 实验采用的原料来自辽宁某地的钙基蒙脱石 ,经 武汉理工大学测试中心 X 射线荧光光谱仪定量分析 其化学组成见表 1。 表 1 实验原料化学成分 SiO2Fe2O3Al2O3TiO2 CaOMgO K2ONa2O MnO烧失量总计 56. 786. 5617. 030. 732. 763. 650. 850. 390. 0810. 5999. 42 1. 1. 2 粉煤灰 实验所用粉煤灰取自湖北武汉某火力发电厂的 干排粉煤灰 。经武汉理工大学测试中心 X 射线荧光 光谱仪定量分析其化学成分见表 2。 表 2 粉煤灰的化学组成 SiO2Al2O3Fe2O3TiO2 CaOMgO K2ONa2OSO3P2O5 烧失量总计 38. 6620. 864. 250. 9818. 941. 211. 810. 423. 330. 358. 6499. 45 1. 2 实验仪器 、 试剂 实验使用的仪器主要有 上海尤尼科公司生产的 7200型光栅分光光度计, 辽阳市恒温仪器厂生产的 HZ24 型回转振荡槽 , 上海恒科学仪器公司产 DHG- 9075A 型电热恒温鼓风干燥箱, 上海实验电炉厂产 SX2 -6 -13 型马弗炉 , 上海美特勒-托利多仪器有限公 司产AB204- N 型电子天平等。 实验用主要试剂为硫酸锌 ZnSO47H2O 、无水 乙酸钠 C2H3NaO2冰 、乙酸 CH3COOH 、二甲酚橙 C31H28N2Na4O13S 、 硅酸钠 Na2SiO39H2O 等, 以上试 剂均为分析纯。 1. 3 实验方法 1. 3. 1 颗粒的制备 称取适量的蒙脱土与粉煤灰原料, 并添加一定比 例的添加剂,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 40 min,然后在 105 ℃下干燥 1 h, 最后在高温下 焙烧 2 h 后 ,制得蒙脱土 粉煤灰复合颗粒。 蒙脱土 粉煤灰复合颗粒的制备工艺过程如图 1 所示 。 图 1 颗粒制备工艺流程 1. 3. 2 吸附实验的分析方法 取一定量标准 Zn 2溶液于容量瓶中 , 投加适量 的颗粒 ,于振荡器中振荡吸附, 应用台式高速离心机 进行离心分离, 取离心清液5 mL 于 50 mL 刻度管内, 并加 5 mL 的缓冲溶液及 5 mL 的二甲酚橙,加蒸馏水 至50 mL 刻度线, 摇匀 ,溶液呈红色。使用 7200 型光 栅分光光度计上 ,以蒸馏水液做参比, 在波长 570 nm 下,测溶液吸光度, 计算含 Zn 2溶液浓度。根据吸附 前后溶液中 Zn 2浓度变化, 计算蒙脱土 粉煤灰复合 颗粒对溶液中 Zn 2的吸附效率 。 吸附率的计算公式为 η C0-C100 C0 式中 η 颗粒吸附重金属离子吸附率; C0 吸附前溶液含重金属离子浓度 ,mol L; C 吸附后溶液含重金属离子浓度 ,mol L。 1. 3. 3 颗粒散失率的测定 取0. 50 g 的颗粒于盛有 20 mL 蒸馏水的锥型瓶 中,振荡 40 min ,于干燥箱中干燥至恒重 ,剔除破碎的 颗粒 ,称量余下的完好颗粒的质量。 颗粒的散失率的计算公式为 q M0-M100 M0 式中 q 颗粒的散失率; M0 振荡前所取的颗粒质量,g ; M 振荡后余下的完好颗粒质量,g 。 2 复合颗粒制备工艺条件 2. 1 蒙脱石 粉煤灰混合比影响 称取 9 份总质量为 5. 0g 的蒙脱石与粉煤灰, 其 中蒙脱石∶ 粉煤灰混合比例依次为 1∶ 9、 2∶ 8、 3∶ 7 、 4∶ 6、 5∶ 5、 6∶ 4、 7∶ 3、 8∶ 2、 9∶ 1, 即蒙脱石的比例依次为 10、 20、 30、40、50、 60、70、80、90。将蒙 46 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 脱石、粉煤灰混合均匀,加入 3～ 4 mL 的蒸馏水,搅拌 均匀后,静置陈化 24 h, 人工制成粒径 1 ～ 3 mm 的圆 形颗粒, 再自然风干 40min ,然后在105 ℃ 下干燥1 h, 最后在450 ℃下焙烧2 h 后,制得蒙脱土 粉煤灰复合 颗粒 。将所制备的复合颗粒用于吸附处理初始浓度 为20 mg L 含 Zn 2废水, 吸附实验条件 室温, 中性溶 液,颗粒投加量为 2 g L ,振荡吸附 60 min。实验结果 如图 2 所示 。 图2 蒙脱石 粉煤灰混合比影响 由图 2可知, 随着蒙脱石比例的增加, 吸附率呈 降低稍微上升的趋势 , 散失率呈降低 上升的趋 势。当 蒙 脱 石 比 例 为 10时, 有 最 高 吸 附 率 90. 07,同时散失率也最高为 35. 03; 当蒙脱石比 例为 60时, 吸 附 率 82. 52, 有 最 低 散 失 率 10. 74。吸附率与散失率的变化趋势一致, 这是因 为颗粒破碎增大了吸附的比表面积, 从而提高了吸 附率 。 本实验的目的是制备吸附性与强度兼备的颗粒, 颗粒散失率越小说明强度越高 ,故剔除散失率较高的 颗粒 ,在吸附率相差不大的情况下着重考虑颗粒的散 失率 。当蒙脱石比例为 60时有最低散失率, 故确 定复合颗粒配比为蒙脱石∶ 粉煤灰 6∶ 4。 2. 2 焙烧温度影响 按蒙脱石∶ 粉煤灰 6∶ 4 的配比, 称取 5 份总质 量为 5. 0 g 的蒙脱石与粉煤灰。将它们混合均匀, 再 加入 3～ 4 mL 的蒸馏水搅拌均匀, 经陈化 24 h 、 自然 风干 40 min、在 105 ℃下干燥 1 h 、然后分别在 105, 200,300,400,500 ℃下焙烧 2 h,制成复合颗粒。 吸附实验条件同上。实验结果如图 3 所示 。 由图 3 可知 ,随着焙烧温度的升高,吸附率、 散失 率曲线皆呈缓慢下降的趋势 。当焙烧温度为 105 ℃ 时,有最高吸附率为 85. 64, 散失率14. 63; 当焙烧 温度 为 500 ℃时 , 吸附 率为 82. 06, 散失 率为 9. 71。由此可知, 高温焙烧有利于提高颗粒的强 图 3 焙烧温度的实验 度,但对应地降低了吸附率。 考虑到焙烧温度的大幅增加,并没有大幅降低颗 粒的散失率 ,在 500 ℃下焙烧的颗粒有最低散失率, 但吸附率也最低, 而在 105 ℃下焙烧的颗粒 ,吸附率 最高, 散失率也最高 , 故高强度和高吸附率二者不能 兼顾 ,因此 ,从节约能源的角度出发 ,确定焙烧温度为 105 ℃,而强度的提高拟通过添加黏结剂以降低散失 率来实现。 2. 3 黏结剂比例影响 按蒙脱石∶ 粉煤灰 6∶ 4 的配比, 称取 5 份总质 量为 5. 0 g 的蒙脱石与粉煤灰,分别添加蒙脱石 粉煤 灰总质量 5、 10、 15、 20、 25 的硅酸钠作黏结 剂,将它们混合均匀, 再加入 2～ 3 mL 的蒸馏水搅拌 均匀 ,经陈化 24 h、 自然风干 40 min、 在 105 ℃下焙烧 2 h,制成复合颗粒。 吸附实验条件同上, 实验结果如图 4 所示 。 图 4 硅酸钠比例的实验 硅酸钠在颗粒制备中主要起着黏结作用 ,降低颗 粒的散失率 。由图 4 可得, 随着硅酸钠比例的增加, 散失率呈降低上升的趋势 。从整体来看,5 种颗粒 的散失率较 2. 2 的实验结果有了明显的降低, 可见通 过添加黏结剂硅酸钠以降低颗粒散失率是可行的。 随着硅酸钠比例的增加, 吸附率变化不大, 当硅 47 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 酸钠比例为 5时颗粒有最高吸附率 88. 42, 这是 因为颗粒破碎, 增大了比表面积, 这可以从其散失率 为 9. 02得到证明 。当添加硅酸钠比例为 15时, 颗粒的吸附率为 86. 08, 散失率几乎为 0。 故确定黏结剂硅酸钠的添加比例为 15。 3 结果讨论 通过以上实验研究结果表明, 蒙脱石与粉煤灰的 混合比、 焙烧温度及黏结剂的添加比例等因素均对复 合颗粒的强度和吸附率有一定影响。综合考虑复合 颗粒的吸附性能和强度确定颗粒制备较佳的工艺条 件为 蒙脱石 粉煤灰复合颗粒的配比为 6∶ 4,焙烧温 度105 ℃,黏结剂硅酸钠的添加比例为蒙脱石 粉煤 灰总质量的15。 在上述工艺下制备的复合颗粒用于吸附处理初 始浓 度为 20 mg L 的 含 Zn 2 废 水, 吸 附率 可达 94. 23, 其残留浓度为 1. 15 mg L , 低于国家一级排 放标准 2 mg L , 且散失率几乎为0。 参考文献 [ 1] 胡友彪, 张慰, 王世超. 粉煤灰对重金属废水的吸附性能研究 [ J] . 煤炭科学技术, 2007, 35 7 92 -94. [ 2] 王春平, 胡章计. 膨润土在治理环境污染中的应用[ J] . 邢台学 院学报, 2006, 21 4 114 -116. [ 3] 刘萍, 李凯, 周海波. 改性蒙脱土处理工业废水的试验研究[ J] . 煤矿环保, 2007 6 93 -95. [ 4] 王湖坤, 龚文琪, 胡婧. 粉煤灰-累托石颗粒吸附材料处理含重 金属废水[ J] . 武汉理工大学学报,2007, 29 8 62 -66. [ 5] 王士龙, 张虹, 郭晓宇, 等. 用粉煤灰处理含锌废水的试验研究 [ J] . 化学推进剂与高分子材料,2003, 1 2 15-17. [ 6] 滕宗焕, 陈建中. 改性粉煤灰的吸附机理及其在废水处理中的 应用[ J] . 西南给排水, 2007, 29 4 23 -27. [ 7] 王湖坤, 龚文琪, 胡婧. 粉煤灰-累托石颗粒吸附材料处理含重 金属废水[ J] . 武汉理工大学学报,2007, 29 8 62 -66. [ 8] 刘萍, 李凯, 周海波. 改性蒙脱土处理工业废水的试验研究[ J] . 煤矿环保, 2007 6 93 -95. [ 9] 施惠生, 刘艳红. 膨润土对重金属离子 Pb2 , Zn2 , Cr VI , Cd2 的吸附性能[ J] . 材料导报, 2006,7 4 56 -60. [ 10] 丁述理, 彭苏萍, 刘钦甫, 等. 膨润土吸附重金属离子的影响因 素初探 以Zn2 为例[ J] . 岩石矿物学杂志, 2001, 20 4 579 - 582. [ 11] 王忠安, 朱一民, 魏德洲, 等. 钙基膨润土吸附废水中锌离子的 研究[ J] . 有色矿冶, 2006, 22 2 45 -47. 作者通信处 付桂珍 430070 武汉市武昌珞狮路 122 号 武汉理工 大学资源与环境工程学院 E -mail fgzh 163. com 2008- 08-04 收稿 上接第 44页 起对氨氮的去除幅度较大 ,系统运行至第 11 天基本 上可以完全去除氨氮且能稳定运行至第 15 天。 4 处理工艺对挥发酚也具有很强的去除效果。 通过试验得到可以完全去除挥发酚 。 5 处理工艺对挥发酚的去除效果优于对氨氮的 去除效果, 并且完全去除挥发酚的用时比较短 ,系统 运行到第 6 天即可完全去除挥发酚。 6 处理工艺对氰化物也有较好的去除效果,系统 运行处理至第 5 天时氰化物由进水的 9. 8 mg L 下降 至0. 48 mg L 排放标准为 0. 5 mg L , 且以后 10 天可 连续稳定运行。系统对氰化物的去除率大于 95。 参考文献 [ 1] 郝卓莉, 王爱军, 朱振中, 等. 膜吸收法处理焦化厂剩余氨水 中氨氮及苯酚[ J] . 水处理技术, 2006, 32 6 16 -20. [ 2] 滕朝华. 焦化剩余氨水处理方案初探[ J] . 冶金动力, 2002, 90 2 42 -45. [ 3] 焦化废水处理技术应用[ EB OL] . http www . chinacitywater. org rdzt jhfsh 13858. shtml. 2007 -05 -22. [ 4] 国家环保局. 水和废水分析监测方法[ M] . 4 版. 北京 中国环 境科学出版社, 2002. [ 5] 王乃祥, 沈志松, 陈洁. 充气膜污染机理及膜清洗方法的初步 研究[ J] . 化工环保, 1998 18 3 -7. 作者通信处 包焕忠 255430 山东省淄博市临淄区齐陵路 56 号 山东美陵中联环境工程有限公司 电话 0533 7086701 E -mail bhz2004177sina . com 2008- 08-12 收稿 48 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期