液/固体系Cu2+离子吸附反应的特征曲线与自由能变研究

摘要

本试验选用天然沸石和蛭石为吸附剂，进行了水溶液体系Cu2+离子的平衡吸附与动态吸附实验。其目的是从理论上论证液/固离子吸附体系的平衡吸附与动态吸附特征规律与机理，研究平衡与动态吸附过程中的自由能变和化学势变规律，进一步了解液/固吸附的本质和吸附反应组分之间的关系，为采用吸附技术处理含重金属离子废水提供理论依据和基础数据。研究结果如下:
　　 (1)天然沸石和蛭石吸附容量大、价格低廉，能迅速有效去除废水中的Cu2+离子。在本试验条件下，天然沸石和蛭石的Cu2+离子量(Q)没有显著差异。由于H+离子的影响，酸洗蛭石样本的Cu2+离子吸附量Q的值明显低于水洗蛭石样本的Q值，在实践中没有必要采用酸洗方法处理样本。
　　 (2)实验数据证实Cu2+离子的等温吸附曲线存在明显的离子浓度和吸附剂浓度效应，经典理论曲线(x-A曲线)不能用以描述试验检测起始离子浓度A0和吸附剂浓度W范围内Cu2+离子的吸附行为。曲线分析进一步显示，Cu2+离子的平衡吸附密度x不是平衡液相离子浓度A的一元函数，而是离子浓度A与吸附剂浓度W两个变量的函数。
　　 (3)在试验检测的吸附体系中，用x、z和y分别代表离子吸附量Q、平衡溶液离子浓度A和起始离子浓度A0与吸附剂浓度W的比值，则x/y与z/y对y的组合曲线是给定吸附体系的特征曲线，在曲线中，x/y与z/y有唯一的交点，交点上x/y=z/y=1/2，交点上的x和y的值是给定体系的特征参数，其值大小与吸附容量p相关。吸附体系的特征曲线描述了离子在液/固相分配的比例关系，具有重要的实际应用价值。本试验验证了四组分吸附方程能用来描述蛭石样本的Cu2+离子吸附行为。
　　 (4)所有吸附系统都存在两个潜在的分别由A0（单位体积系统中可供吸附的离子的总量）和B0（单位体积系统具有的总吸附容量）决定的吸附极限点，实验确定了两个潜在极限点的吸附密度值分别为x=p=8.00mg/g，x=x(C)=y=0.13mg/g，其物理意义为，当x=8.00mg/g时，为饱和吸附点，此时，溶液的离子浓度很高，体系趋向饱和吸附状态;而当x(C)=y=0.13mg/g时，为临界吸附点，溶液的离子浓度趋向零，临界吸附点的y值是吸附处理系统设计的重要参数。
　　 (5)吸附反应自由能变△G的绝对值随A0和W的增大而增大，说明参与反应的A0和W值大，反应体系的Gibbs自由能亏损越多。吸附反应的化学势变曲线在y=p点上有极值，本研究采用确定化学势变曲线极值点的方法确定了和验证了吸附剂的容量p值。
　　 (6)实验数据证明新动力学方程可以用以描述蛭石样本Cu2+离子的动态吸附行为。基于平衡吸附反应化学势变原理，本研究进一步确定了蛭石样本Cu2+离子吸附反应的化学势变动态曲线。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 水体重金属污染

1．1．1 污染现状

1．1．2 重金属污染的危害

1．2 含重金属废水的处理方法

1．2．1 化学沉淀法

1．2．2 电解法

1．2．3 离子交换法

1．2．4 吸附法

1．2．5 膜分离技术

1．2．6 生物法

1．3 人工湿地处理系统

1．3．1 人工湿地系统的构型发展

1．3．2 人工湿地系统的构成及净化机理

1．3．3 人工湿地系统在含重金属离子废水处理中的应用及展望

1．4 吸附理论在水处理中的研究与应用

1．4．1 吸附原理及影响因素

1．4．2 液／固吸附等温方程的研究与应用

1．4．3 液／固吸附动力学方程的研究与应用

1．5 天然沸石和蛭石在水处理中的研究与应用

1．5．1 天然沸石

1．5．2 蛭石

1．6 研究目的与内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

2 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．2 试验方法

2．2．1 静态实验

2．2．2 动态实验

2．3 计算方法

2．4 实验仪器

2．5 实验说明

3 天然沸石和蛭石体系Cu2+离子的吸附性能特征

3．1 平衡吸附密度与起始离子浓度的关系

3．2 吸附体系Cu2+离子去除率

3．3 水洗和酸洗蛭石样本的Cu2+吸附性能特征

3．3．1 初始Cu2+离子浓度影响

3．3．2 初始吸附剂浓度影响

3．3．3 吸附体系的pH变化

3．3．4 吸附体系Cu2+离子的去除率

3．4 小结

4 蛭石样本Cu2+离子的平衡吸附特征曲线与极限点

4．1 经典等温方程存在的问题

4．1．1 Cu2+离子的等温吸附曲线

4．1．2 吸附剂浓度效应

4．1．3 经典方程参数存在的问题

4．2 四组分理论在Cu2+离子吸附体系中的应用

4．2．1 平衡吸附密度预测方程

4．2．2 Cu2+离子的平衡吸附特征曲线

4．3 吸附容量与吸附临界点

4．4 小结

5 吸附反应的自由能变与化学势变

5．1 吸附反应自由能变

5．2 化学势变极限

5．3 小结

6 蛭石样本Cu2+离子的吸附动力学特征

6．1 经典吸附动力学方程

6．2 新动力学方程

6．3 动态吸附的化学势变曲线

6．4 小结

7 总结

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

附表1 实验数据

附录2 攻读学位期间的主要学术成果

致谢