高炉渣改性及其吸附La3+/Ce3+性能研究

摘要

高炉渣是高炉炼铁过程产生的主要废渣，随着中国钢铁行业的蓬勃发展，高炉渣的排放量日益增加。高炉渣的堆积不仅增加环境负担，也是一种资源浪费。如何绿色利用高炉渣、提高高炉渣的附加值已成为国内外研究的热点。中国稀土储量丰富，但由于近年来大规模开采使得数量锐减。同时由于开采、提取技术不成熟，导致稀土元素在雨水作用下渗入河道和地下水，造成矿区河水中稀土元素浓度过高。不仅极大浪费稀土资源，同时污染水环境，威胁生命和健康。因此，对稀土离子进行有效的富集回收，不仅具有极高的环保和经济价值，更是对国家战略性资源的重要保护。 针对这一现状，本论文提出使用高炉渣对稀土离子进行有效富集回收，达到以废治废和保护环境的目的。采用SEM、XRD和BET等对高炉渣、晶化高炉渣和酸化高炉渣进行表征分析，并对其吸附La3+/Ce3+性能进行研究。为了进一步研究高炉渣的吸附行为及机理，采用动力学和等温吸附模型进行拟合。具体内容如下： （1）使用高炉渣对La3+进行吸附实验。高炉渣颗粒分明且大小不均匀，是非晶态的玻璃体结构。在吸附行为实验中，实验数据分别满足准一级动力学和Langmuir等温吸附模型，颗粒内扩散模型能较好地描述高炉渣对La3+的吸附过程，热力学计算表明高炉渣对La3+的吸附为自发的吸热过程。根据响应曲面拟合数据可以明确pH对吸附效果起着主导作用。 （2）对高炉渣进行晶化处理并将其用于对La3+/Ce3+混合溶液的吸附。晶化高炉渣结构与高炉渣相比变得更为致密，晶化温度大于700℃时，出现了主相为Ca2Al2SiO7的晶体，比表面积没有发生明显变化。在吸附容量上与高炉渣相比有所降低，对造成这种情况的原因进行了分析。在吸附行为实验中，准二级动力学和Langmuir等温吸附模型能较好的描述晶化高炉渣对La3+/Ce3+的吸附过程。 （3）用不同浓度的盐酸对高炉渣进行酸化处理，并用于对Ce3+单独吸附和对La3+/Ce3+混合溶液吸附。盐酸浓度大于0.3mol/L时，酸化高炉渣变得疏松，粒径变小且均匀，具有一定的团聚性，而且出现了SiO2和Al2O3为主的晶体。与高炉渣和晶化高炉渣的比表面积只在4-6m2/g范围内相比，酸化高炉渣比表面积最大达181.27m2/g（0.5mol/L）。实验结果表明，单组分和双组份系统中，准二级动力学、Langmuir等温吸附模型和颗粒内扩散模型均能较好的描述酸化高炉渣对Ce3+以及La3+/Ce3+混合溶液的吸附平衡数据。双组份系统中，La3+/Ce3+的吸附容量都明显降低，对可能的原因进行分析。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 高炉渣利用现状

1.1.1 高炉渣定义

1.1.2 高炉渣主要成分及结构

1.1.3 高炉渣作为吸附剂研究进展

1.2 稀土离子回收利用现状

1.2.1 化学沉淀法

1.2.2 溶剂萃取法

1.2.3 微生物法

1.2.4 吸附法

1.3 本课题研究目的及内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

第2章 实验

2.1 实验

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验试剂及实验设备

2.2 研究技术路线

2.3 实验方法

2.3.1 高炉渣吸附剂预处理

2.3.2 晶化高炉渣吸附剂的制备

2.3.3 酸化高炉渣吸附剂的制备

2.3.4 待吸附La3+和Ce3+废水配制

2.3.5 响应面优化设计法

2.4 表征分析

2.4.1 X射线荧光分析

2.4.2 X射线衍射

2.4.3 扫描电子显微镜

2.4.4 比表面与孔隙度分析仪

2.4.5 电感耦合等离子体发射光谱仪

2.5 吸附性能评价指标

2.5.1 吸附率

2.5.2 吸附量

2.5.3 吸附动力学

2.5.4 吸附等温线

第3章 高炉渣对La3+的吸附分离研究

3.1 高炉渣物化性能

（1）微观形貌

（2）物相分析

（3）BET

3.2 结果与讨论

3.2.1 高炉渣投加量对吸附效果的影响

3.2.2 pH对吸附效果的影响

3.2.3 吸附动力学

3.2.4 吸附等温线

3.3 优化实验讨论

3.3.1 吸附条件参数优化设计

3.3.2 模型拟合和数据分析

3.3.3 响应曲面图和优化

3.4 本章小结

第4章 晶化高炉渣对La3+/Ce3+的吸附分离研究

4.1 晶化高炉渣的物相性能

（1）微观形貌

（2）物相分析

（3）BET

4.2 结果与讨论

4.2.1 晶化温度对吸附效果的影响

4.2.2 晶化高炉渣投加量对吸附效果的影响

4.2.3 pH值对吸附效果的影响

4.2.4 吸附动力学

4.2.5 吸附等温线

4.3 本章小结

第5章 酸化高炉渣对Ce3+和La3+/Ce3+的吸附分离研究

5.1 酸化高炉渣的表征

（1）微观形貌

（2）物相分析

（3）BET

5.2 结果与讨论

5.2.1 不同盐酸浓度对Ce3+单独吸附效果的影响

5.2.2 酸化高炉渣投加量对Ce3+单独吸附效果的影响

5.2.3 pH 对Ce3+单独吸附效果的影响

5.2.4 Ce3+单独吸附动力学

5.2.5 Ce3+单独吸附等温线

5.2.6 不同盐酸浓度对La3+/Ce3+混合吸附效果的影响

5.2.7 酸化高炉渣投加量对La3+/Ce3+混合吸附效果的影响

5.2.8 pH对La3+/Ce3+混合吸附效果的影响

5.2.9 La3+/Ce3+混合吸附动力学

5.2.10 La3+/Ce3+混合吸附等温线

5.3 本章小结

结论与展望

结 论

展 望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文和申请的发明专利

致谢