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膨润土-钢渣复合颗粒去除酸性矿山废水中重金属离子的机理研究

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摘要

绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 酸性矿山废水概况及处理技术现状

1.2.1 酸性矿山废水的形成

1.2.2 酸性矿山废水的组成及危害

1.2.3 酸性矿山废水处理技术

1.2.4 展望

1.3 膨润土在水处理中的应用

1.3.2 蒙脱石的结构及吸附特性

1.3.3 膨润土研究近况及机理分析

1.4 钢渣在水处理中的应用

1.4.1 钢渣

1.4.2 钢渣的矿物组成及吸附特性

1.4.4 膨润土-钢渣复合吸附剂的应用特性

1.5 本课题的研究内容、目标、方法、创新点和技术路线

1.5.1 研究内容

1.5.2 研究目标

1.5.3 研究方法

1.5.4 创新点

1.5.5 技术路线

2 实验材料及方法

2.1 药品与材料

2.1.1 实验药品

2.1.2 复合颗粒的制备

2.2 实验水样

2.3 实验仪器

2.4 实验指标及方法

2.4.1 溶液中金属离子的测定

2.4.2 溶液碱度的测定

2.5 重金属离子吸附量的计算方法及计算公式

2.6 结构表征

3 复合颗粒对重金属离子的吸附作用实验研究

3.1 实验方法设计

3.2 复合颗粒对重金属离子的吸附作用效果研究

3.2.1 复合颗粒对Fe2+的吸附作用效果

3.2.2 复合颗粒对Mn2+的吸附作用效果

3.2.3 复合颗粒对Cu2+的吸附作用效果

3.2.4 复合颗粒对Zn2+的吸附作用效果

3.2.5 复合颗粒对四种重金属离子的吸附作用效果

3.3 复合颗粒对重金属离子的阳离子交换作用研究

3.3.1 复合颗粒在蒸馏水中的离子释放情况-空白对照

3.3.2 复合颗粒对Fe2+的阳离子交换作用

3.3.3 复合颗粒对Mn2+的阳离子交换作用

3.3.4 复合颗粒对Cu2+的阳离子交换作用

3.3.5 复合颗粒对Zn2+的阳离子交换作用

3.4 复合颗粒的解吸附

3.5 复合颗粒对重金属离子的外表面络合作用

3.5.1 离子强度对Fe2+的去除影响

3.5.2 离子强度对Mn2+的去除影响

3.5.3 离子强度对Cu2+的去除影响

3.5.4 离子强度对Zn2+的去除影响

3.6 微观探究

3.6.1 XRD分析

3.6.2 FT-IR分析

3.7 本章小结

4 复合颗粒对重金属离子的化学沉淀作用

4.1 实验方法设计

4.2 复合颗粒碱度的释放情况研究

4.3 复合颗粒、脱碱颗粒与单独加碱对重金属离子的去除效果

4.3.1 复合颗粒、脱碱颗粒与单独加碱对Fe2+的去除效果

4.3.2 复合颗粒、脱碱颗粒与单独加碱对Mn2+的去除效果

4.3.3 复合颗粒、脱碱颗粒与单独加碱对Cu2+的去除效果

4.3.4 复合颗粒、脱碱颗粒与单独加碱对Zn2+的去除效果

4.4 SEM分析

4.4.1 吸附前复合颗粒表面微观形貌特征

4.4.2 复合颗粒处理重金属离子过程中的微观形貌特征变化研究

4.5 小结

5 复合颗粒对重金属离子的吸附动力学模型研究

5.1 实验方法设计

5.2 复合颗粒的吸附动力学模型研究

5.2.1 复合颗粒对Fe2+吸附动力学模型

5.2.2 复合颗粒对Mn2+吸附动力学模型

5.2.3 复合颗粒对Cu2+吸附动力学模型

5.2.4 复合颗粒对Zn2+吸附动力学模型

5.3 小结

6 复合颗粒在多元体系下的竞争吸附研究

6.1 实验方法设计

6.2 复合颗粒在多元体系中对重金属离子的竞争吸附研究

6.2.2 Fe2+-Cu2+体系

6.2.3 Fe2+-Zn2+体系

6.2.4 Mn2+-Cu2+体系

6.2.5 Mn2+-Zn2+体系

6.2.6 Cu2+-Zn2+体系

6.2.7 Fe2+-Mn2+-Cu2+-Zn2+体系

6.3 小结

结论

参考文献

作者简历

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摘要

为探究膨润土-钢渣复合颗粒对酸性矿山废水中重金属离子的去除效果及净化机理,采用宏观、微观实验相结合的方法对复合颗粒处理Fe2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+四种重金属离子废水进行了探究,初步揭示了复合颗粒对重金属离子的吸附、离子交换、络合反应、化学沉淀及聚沉机理及规律。
  通过复合颗粒处理废水过程Na+、Ca2+释放等当量的测定,揭示了复合颗粒对重金属离子的阳离子交换作用主要发生在反应前5~10min,通过XRD微观测定颗粒层间距变化进一步揭示发生了阳离子交换作用,且测定反应后复合颗粒层间距明显变大,其变化后层间距的大小与有效水合离子半径顺序一致。
  通过测定不同离子强度下复合颗粒对重金属离子的去除量,可以确定在反应前300min均有外表面络合作用。并通过XRD测定反应前后复合颗粒有新的与Si-O相结合的矿物相产生,结合FT-IR测定反应后复合颗粒表面官能团的变化进一步揭示发生了外表面络合作用。
  通过复合颗粒、脱碱颗粒、单独加碱对四种重金属离子的总去除效果和实验现象的对比,揭示了吸附、化学沉淀作用几乎发生于整个过程;同时根据去除量分析对比、实验现象及SEM测定的不同时刻吸附后复合颗粒形貌特征,揭示了复合颗粒表面被沉淀包裹后还会通过聚沉作用继续吸附重金属离子及沉淀,即发生了吸附-聚沉协同作用。
  复合颗粒对四种重金属离子的吸附过程均遵循准二级动力学模型;反应初期,吸附速率受液膜扩散控制;30min后,受颗粒内扩散控制。
  通过多元体系下复合颗粒对多种重金属离子的处理实验,确定了多元体系下各种重金属离子之间的去除规律;揭示了吸附顺序遵循优先吸附规律,其中复合颗粒对四种重金属离子的优先吸附顺序为:Fe2+>Cu2+>Zn2+>Mn2+。符合前人的经验研究,并进一步揭示了吸附、沉淀、聚沉协同作用机理及规律。

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