粘土矿物颗粒复合材料的制备及处理电镀工业废水的研究

摘要

本课题研究利用蒙脱石、凹凸棒石粘土矿物与工业废料粉煤灰制备复合颗粒吸附材料用于处理电镀工业废水，开发出环境友好型矿物吸附材料，旨在解决电镀工业废水引起的重金属污染，同时为粘土矿物与工业废料粉煤灰的综合利用开辟一条有效途径，课题研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
　　 论文对蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料的制备条件及其处理含Cu、Zn、Ni、Cr等多种重金属离子电镀工业废水的吸附条件进行了系统的研究；运用XRD、SEM、DTA/TG、BET等测试分析手段对其进行了表征；研究了复合颗粒吸附材料对电镀工业废水中多种不同浓度重金属离子的吸附/解吸规律；并探讨了复合颗粒吸附材料去除废水中重金属离子的吸附动力学方程、吸附热力学参数及等温吸附作用机理。
　　 主要研究成果如下：
　　 1.复合颗粒吸附剂的制各研究
　　 (1)蒙脱石/粉煤灰复合颗粒吸附剂制备适宜工艺条件为：蒙脱石与粉煤灰的比例为6∶4，焙烧温度450℃，焙烧时间为0.5h，添加剂(工业淀粉)比例为蒙脱石/粉煤灰总质量的10％，颗粒直径为1～2mm。在上述工艺条件下制备的复合颗粒用于吸附处理初始浓度为200mg/L的含Cu2+废水，吸附率可达96.34％，且散失率小于1％。
　　 (2)凹凸棒石/粉煤灰复合颗粒吸附剂制备适宜工艺条件为：凹凸棒石/粉煤灰混合比6∶4，焙烧温度400℃，硅酸钠和淀粉添加比例分别为凹凸棒石/粉煤灰总质量的15％和10％。在上述工艺条件下制各的复合颗粒对初始浓度为50mg/L含Zn2+溶液的吸附率达94.23％，其散失率为4.33％。
　　 2.颗粒吸附材料的表征
　　 (1)在适宜造粒条件下制得的蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料的XRD图谱分析表明蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料焙烧前后其物相组成基本未发生变化；DTA/TG分析表明颗粒吸附材料焙烧前后其蒙脱石结构变化不大，主要是失去蒙脱石中的吸附水和层间水：SEM图像分析显示未焙烧的蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料几乎未见有显气孔，有极少量的空洞，而焙烧后的蒙脱石/粉煤灰颗粒微孔结构十分明显，形状规则，孔径大小约20～50μm。该材料的物理性能测试表明：吸水率为31.80％，显气孔率为46.82％，体积密度为1.47 kg/m3，抗压强度为5.28MPa，比表面积为10.28m2/g。
　　 (2)在适宜造粒条件下制得的凹凸棒石/粉煤灰颗粒吸附材料的XRD图谱分析表明焙烧前后物相组成基本未发生变化，说明颗粒焙烧并未改变其物相组成。DTA/TG分析表明凹凸棒石/粉煤灰颗粒吸附材料焙烧前后其凹凸棒石结构变化不大，主要是失去凹凸棒石中的吸附水和层间水；SEM图像分析显示未焙烧的凹凸棒石/粉煤灰颗粒吸附材料有极少量的空洞，而焙烧后的凹凸棒石/粉煤灰颗粒微孔结构较为明显，形状规则，孔径大小约10～3μm。该材料的物理性能测试表明：吸水率为32.89％，显气孔率为54.77％，体积密度为1.11kg/m3，抗压强度为2.15 MPa，比表面积为17.01m2/g。
　　 3.复合颗粒吸附剂处理含单一重金属离子废水研究
　　 正交试验确定蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料去除重金属离子的优化条件为：Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cr6+初始浓度分别为100mg·L-1、25mg·L-1、20mg·L-1和10mg·L-1；吸附剂投加量分别为12g·L-1、20g·L1、24g·L-1和20g·L-1；溶液pH值分别为6、7、7和3；反应时间均为80min。在优化试验条件下，吸附剂对Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cr6+去除率分别为99.00％;、99.10％、98.90％和99.36％。
　　 4.复合颗粒材料处理电镀工业废水的研究
　　 (1)蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料去除电镀工业废水中重金属的优化条件为：颗粒吸附材料用量为50g/L，pH值为6.5，反应时间为80min。在优化试验条件下，Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cr6+去除率分别为98.19％、98.07％、98.81％、99.06％，处理后的废水中这些重金属的残留浓度均低于国家污水综合排放标准(GB8978-1996)一级标准。
　　 (2)凹凸棒石/粉煤灰颗粒吸附材料去除电镀工业废水中重金属的优化条件为：颗粒吸附剂投加量为70g/L，pH值为6.5，反应时间为80min。在优化试验条件下，Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cr6+去除率分别为98.14％、87.79％、97.52％、97.58％，处理后的废水中这些重金属的残留浓度均低于国家污水综合排放标准(GB8978-1996)一级标准。
　　 5.颗粒吸附材料的再生与重复使用研究
　　 在几种不同解吸剂中，以1mol·L-1NaCl溶液对两种颗粒吸附材料的解吸再生效果最好。颗粒吸附材料经过六次再生和重复使用后，对废水中重金属离子的去除效果略有下降，且经过六次再生和重复使用后的散失率均在10％左右，说明两种颗粒吸附剂解吸再生后，重复使用效果均较好。
　　 6.颗粒吸附剂对重金属离子的吸附作用机理探讨
　　 (1)蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附材料对重金属离子的吸附过程基本符合一级反应动力学方程Ct=C0·e-kt，说明液膜扩散为吸附过程的主控步骤。吸附热力学研究表明，由吸附热力学参数△H＜0，△S＜0可知，温度升高不利于反应正向进行。△G＜0，表明Gibbs自由能的减少是颗粒吸附剂材料吸附的主要动力。蒙脱石/粉煤灰颗粒吸附剂的吸附等温曲线符合Freundlich和Langmuir型两种吸附等温模型，其中与Langmuir型吸附等温式相关性更好。
　　 (2)蒙脱石与水中重金属离子的吸附机理主要是离子交换吸附；凹凸棒石吸附重金属离子主要以3种形式：表面氧合、微孔通道、凹凸棒石晶体结构中。粉煤灰对废水中金属离子的吸附作用可分为物理吸附、化学吸附和吸附-絮凝沉淀协同作用三种形式。
　　 (3)颗粒材料吸附速度机理研究表明：吸附剂在流体中吸附物质的速度，可以分为外部扩散过程、孔隙扩散过程和吸附反应过程三种，其中以最慢的孔隙扩散阶段起控制作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1我国水污染概述

1.1.1我国水体污染现状

1.1.2水污染的来源

1.1.3水污染的危害

1.2含重金属废水的研究现状

1.2.1概述

1.2.2含重金属废水的来源

1.2.3含重金属废水的危害

1.2.4含重金属废水的污染特性

1.2.5含重金属废水的处理技术

1.3电镀工业废水处理的研究现状

1.3.1电镀工业废水特点

1.3.2电镀工业废水处理方法

1.4蒙脱石概述

1.4.1 蒙脱石的结构与性能

1.4.2蒙脱石在废水处理中的应用研究现状

1.5凹凸棒石概述

1.5.1凹凸棒石物化性能概述

1.5.2凹凸棒石应用研究进展

1.5.3凹凸棒石在废水处理中的应用现状

1.6粉煤灰概述

1.6.1粉煤灰的结构与组成

1.6.2粉煤灰的性能

1.6.3粉煤灰的应用研究现状

1.7课题研究背景及目的意义

1.7.1研究背景

1.7.2存在问题

1.7.3研究目的意义

1.8课题研究内容及技术路线

1.8.1研究内容

1.8.2拟采取的研究方法、技术路线

第2章 试验材料、仪器与方法

2.1试验仪器、设备

2.2试验材料

2.2.1主要试剂

2.2.2蒙脱石

2.2.3 凹凸棒石

2.2.4粉煤灰

2.2.4电镀工业废水

2.3试验方法

2.3.1 吸附去除率测定方法

2.3.3散失率测定方法

第3章 复合颗粒吸附剂的制备工艺研究

3.1复合颗粒吸附剂的制备

3.1.1 蒙脱石样品的制备

3.1.2凹凸棒石样品的制备

3.1.3粉煤灰样品的制备

3.1.4复合颗粒吸附剂的制备

3.2蒙脱石／粉煤灰复合颗粒吸附剂的制备工艺研究

3.2.1焙烧温度的影响

3.2.2蒙脱石／粉煤灰混合比影响

3.2.3添加剂比例的影响

3.2.4粒径的影响

3.2.5焙烧时间的影响

3.2.6 小结

3.3凹凸棒石／粉煤灰复合颗粒吸附剂制备工艺研究

3.3.1凹凸棒石／粉煤灰混合比例研究

3.3.2焙烧温度

3.3.3粘结剂(硅酸钠)比例

3.3.4淀粉比例

3.3.5 小结

3.4 本章小结

第4章 复合颗粒吸附剂的表征

4.1颗粒吸附材料主要表征方法

4.1.1 X射线衍射分析(XRD)

4.1.2热重分析(DTA／TG)

4.1.3扫描电子显微镜分析(SEM)

4.1.4物理性能测试

4.2蒙脱石／粉煤灰复合颗粒吸附剂的表征

4.2.1 X射线衍射分析(XRD)

4.2.2热重分析(DTA／TG)

4.2.3扫描电子显微镜(SEM)

4.2.4物理性能分析

4.3凹凸棒石／粉煤灰复合颗粒吸附剂的表征

4.3.1 X射线衍射分析(XRD)

4.3.2热重分析(DTA／TG)

4.3.3扫描电子显微镜(SEM)

4.3.4物理性能分析

4.4本章小结

第5章 蒙脱石复合颗粒吸附剂处理含单一重金属离子废水研究

5.1试验方法

5.1.1重金属离子吸附去除率的计算

5.1.2重金属离子吸附量的计算

5.2蒙脱石／粉煤灰复合颗粒吸附剂处理含铜废水

5.2.1吸附反应时间影响

5.2.2粒吸附剂用量影响

5.2.3铜离子初始浓度影响

5.2.4吸附温度影响

5.2.5介质pH值影响

5.2.6蒙脱石／粉煤灰复合颗粒吸附剂处理含铜废水正交试验

5.3蒙脱石／粉煤灰复合颗粒吸附剂处理含锌废水

5.3.1吸附反应时间影响

5.3.2吸附剂用量影响

5.3.3锌离子初始浓度影响

5.3.4吸附温度影响

5.3.5介质pH值影响

5.3.6蒙脱石／粉煤灰复合颗粒吸附剂处理含锌废水正交试验

5.4蒙脱石／粉煤灰复合颗粒吸附剂处理含镍废水

5.4.1吸附处理时间影响

5.4.2吸附剂用量影响

5.4.3镍离子初始浓度影响

5.4.4吸附温度影响

5.4.5介质pH值影响

5.4.6蒙脱石／粉煤灰复合颗粒吸附剂处理含镍废水正交试验

5.5蒙脱石／粉煤灰复合颗粒吸附剂处理含铬废水

5.5.1吸附处理时间影响

5.5.2吸附剂用量影响

5.5.3铬离子初始浓度影响

5.5.4吸附温度影响

5.5.5介质pH值影响

5.5.6蒙脱石／粉煤灰复合颗粒吸附剂处理含铬废水正交试验

5.6本章小结

第6章 复合颗粒吸附材料处理电镀工业废水的研究

6.1试验方法

6.2蒙脱石／粉煤灰复合颗粒吸附剂处理电镀废水工艺条件研究

6.2.1介质pH的影响

6.2.2吸附反应时间影响

6.2.3蒙脱石／粉煤灰复合颗粒吸附剂用量影响

6.2.4蒙脱石／粉煤灰复合颗粒吸附剂处理电镀废水正交试验

6.3凹凸棒石／粉煤灰复合颗粒吸附材料处理电镀废水工艺条件研究

6.3.1介质pH的影响

6.3.2吸附反应时间影响

6.3.3凹凸棒石／粉煤灰复合颗粒吸附剂用量影响

6.3.4凹凸棒石／粉煤灰复合颗粒吸附材料处理电镀废水正交试验

6.4两种颗粒吸附材料的对比实验

6.5本章小结

第7章 颗粒吸附材料再生与重复使用研究

7.1试验方法

7.2蒙脱石／粉煤灰颗粒吸附材料解吸再生试验研究

7.2.1解吸剂的选择实验

7.2.2蒙脱石／粉煤灰颗粒吸附材料多次再生试验研究

7.3 凹凸棒石／粉煤灰颗粒吸附材料再生试验研究

7.3.1解吸剂的选择实验

7.3.2凹凸棒石／粉煤灰颗粒吸附材料多次再生试验研究

7.4本章小结

第8章 颗粒吸附剂对重金属离子的吸附作用机理探讨

8.1蒙脱石／粉煤灰颗粒吸附材料对重金属离子的吸附动力学探讨

8.2蒙脱石／粉煤灰颗粒吸附材料对重金属离子的吸附热力学探讨

8.3蒙脱石／粉煤灰颗粒吸附材料对重金属离子的等温吸附曲线

8.4颗粒材料对重金属离子吸附机理分析

8.4.1蒙脱石吸附机理分析

8.4.2凹凸棒石吸附机理分析

8.4.3粉煤灰吸附机理分析

8.4.4颗粒吸附机理分析

8.5本章小结

第9章 结论及存在问题

9.1结论

9.2存在问题

参考文献

致 谢

附录