羟基磷灰石类吸附剂对湿法脱硫溶液中重金属的吸附研究

摘要

湿法脱硫在脱除燃煤烟气SO2的同时能协同脱除重金属，但脱除到脱硫浆液中的重金属不稳定，吸附到脱硫石膏中的重金属会产生二次污染。因此，必须加强脱硫浆液和脱硫石膏中重金属吸附及稳定的研究。羟基磷灰石类材料可吸附工业废水中的重金属，但其对成份较复杂的脱硫浆液中重金属的吸附能力及吸附机理仍不清楚。羟基磷灰石对脱硫浆液中重金属的吸附动力学特性，初始浓度、初始pH和吸附剂量对重金属吸附的影响仍不明确。对其进行深入研究有助于掌握羟基磷灰石类材料对脱硫浆液中重金属的吸附特性，并为多种重金属的协同脱除提供理论依据。
　　采用化学沉淀法合成羟基磷灰石（HAP）和磁性羟基磷灰石（MNHAP），并对这两种吸附材料进行BET表面积、X射线衍射（XRD）、X射线能量色散（EDAX）、扫描电镜（SEM）和磁性分析。结果表明羟基磷灰石和磁性羟基磷灰石都是具有疏松多孔表面的微粒结构，磁性羟基磷灰石具有较高的比表面积（148.5 m2/g），两种材料的Ca/P比都接近1.67。磁性分离实验表明磁性羟基磷灰石易于从溶液中分离。
　　目前羟基磷灰石类吸附剂对脱硫浆液中Hg2+吸附机理仍不清楚。采用实验方法分别研究了羟基磷灰石和磁性羟基磷灰石对脱硫浆液中Hg2+的吸附能力、吸附动力学特性，考察了初始浓度、初始pH和吸附剂量的影响，并探索了Hg2+的吸附稳定性。结果表明羟基磷灰石和磁性羟基磷灰石对Hg2+的吸附动力学数据均符合Second-order模型，吸附等温线数据均符合Langmuir等温线模型。羟基磷灰石和磁性羟基磷灰石对Hg2+的最大吸附容量分别为71.2 mg/g和88 mg/g，最佳吸附剂量分别是4 g/L和2 g/L。磁性成份促进了羟基磷灰石对Hg2+的吸附，因而磁性羟基磷灰石稳定脱硫浆液中Hg2+的能力强于羟基磷灰石，具体吸附过程包括表面络合、溶解沉淀和离子交换这三个阶段。
　　目前尚缺乏磁性羟基磷灰石（MNHAP）材料吸附脱硫浆液中Pb2+、Cd2+、Cr3+、Ni2+的研究。采用实验方法，研究了磁性羟基磷灰石对脱硫浆液中Pb2+、Cd2+、Cr3+、Ni2+的吸附动力学特性，考察了初始浓度、初始pH和吸附剂量的影响。结果表明磁性羟基磷灰石对Pb2+、Cd2+、Cr3+、Ni2+的吸附动力学数据均符合Second-order模型，吸附等温线数据符合Langmuir等温线模型。磁性羟基磷灰石对脱硫浆液中 Pb2+、Cd2+、Cr3+、Ni2+的最大吸附容量分别为348 mg/L、148 mg/L、123 mg/L、135 mg/L，最佳吸附剂量分别为0.83 g/L、1.66 g/L、0.83 g/L、0.072 g/L。磁性成份促进了羟基磷灰石对Pb2+、Cd2+、Cr3+、Ni2+的吸附，因而磁性羟基磷灰石稳定脱硫浆液中Pb2+、Cd2+、Cr3+、Ni2+的能力强于羟基磷灰石。不同重金属离子间存在竞争吸附，增大Pb2+浓度时磁性羟基磷灰石对Cd2+的吸附能力显著降低，最大吸附量由93.1 mg/g降到75.2 mg/g。但Cd2+的浓度变化对磁性羟基磷灰石吸附Pb2+的能力影响较小，表明磁性羟基磷灰石对脱硫浆液中Pb2+的吸附能力更强。实验结果为湿法脱硫协同脱除Hg2+以及其他重金属（Pb2+、Cd2+、Cr3+、Ni2+）的工业应用和湿法脱硫副产物脱硫石膏的资源化利用提供了理论依据。

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1绪 论

1.1研究背景

1.2脱硫浆液中重金属的危害

1.3脱硫浆液中重金属脱除的研究现状

1.4脱硫石膏的特性和利用现状

1.5纳米羟基磷灰石和磁性纳米羟基磷灰石

1.6本文研究工作

2纳米羟基磷灰石和磁性纳米羟基磷灰石的制备

2.1引言

2.2实验主要试剂及仪器

2.3纳米羟基磷灰石和磁性纳米羟基磷灰石的表征测试

2.4本章小结

3纳米羟基磷灰石和磁性纳米羟基磷灰石吸附汞离子研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3吸附动力学实验和吸附等温线实验

3.4吸附影响因素分析实验

3.5磁性纳米羟基磷灰石吸附Hg2+后X射线能量色散对比分析

3.6吸附脱硫浆液中汞的吸附机理分析

3.7纳米羟基磷灰石和磁性纳米羟基磷灰石稳定石膏中的汞效果

3.8本章小结

4磁性纳米羟基磷灰石吸附铅、镉、铬、镍离子研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3磁性纳米羟基磷灰石吸附Pb2+、Cd2+、Cr3+、Ni2+的动力学实验

4.4磁性纳米羟基磷灰石吸附Pb2+、Cd2+、Cr3+、Ni2+的等温线实验

4.5在模拟湿法脱硫浆液条件下的吸附影响因素分析

4.6二元体系中的重金属离子竞争吸附的实验研究

4.7本章结论

5全文总结与工作展望

5.1主要研究成果

5.2下一步工作的展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间参与的项目