粉煤灰基稀土复合材料的制备及其对水体中Cd2+的吸附性能研究

摘要

针对目前我国水体重金属污染事件频发的现状，为充分开发我区固体废物粉煤灰和稀土资源的综合处置与利用，本文根据粉煤灰(FA)的主要成分及结构特征，通过焙烧、碱熔融、掺杂稀土元素、加酸浸泡等方法，提出了粉煤灰－碱熔融－掺杂稀土元素联合工艺制备粉煤灰基稀土复合材料作为水处理吸附剂的技术，并就复合材料的制备工艺条件及结构性能进行了探究和表征；将所制得的一种新型粉煤灰基稀土复合材料用于吸附去除水体中有毒重金属Cd2+，就其吸附影响因素、吸附动力学、吸附热力学、经济技术分析、环境影响评价、吸附过程机理及工业应用前景等相关问题进行了探讨，具体研究结果如下：
　　 (1)研究了粉煤灰/碱熔融/铈复合材料的制备过程和条件。通过实验考察了加入助熔剂Na2CO3的量、Ce(SO4)2掺杂量、焙烧温度及焙烧时间等条件对复合材料去除Cd2+性能的影响，得到了该吸附剂的最佳制备条件，即：当FA与Na2CO3的质量比为1:2，Ce(SO4)2掺杂量为9％，焙烧温度为800℃，焙烧时间为2h时，所制得的Ce-Na2CO3-FA吸附剂对pH为6.0、起始Cd2+浓度为500mg·L-1的水溶液中Cd2+的去除率几乎可达100%，显示出了比较强的除Cd2+能力和比较大的吸附容量。
　　 (2)探讨了Ce-Na2CO3-FA吸附剂对水体中Cd2+的吸附性能及其影响因素。试验结果表明：溶液初始pH值足影响Ce-Na2CO3-FA吸附剂除Cd2+的重要因素之一，且当溶液初始pH值为6.0时，该吸附剂对Cd2+的去除效果比较理想。Ce-Na2CO3-FA吸附剂对水体中Cd2+的去除率会随吸附剂用量的增加而相应增大，随初始Cd2+浓度的增大而明显减小，当将用量为0.5g的该吸附剂投加于50mL、Cd2+浓度为500mg·L-1的水溶液中时，其对Cd2+的吸附量达48.88mg·g-1，去除率为97.76%。
　　 (3)吸附动力学研究表明：吸附速率和吸附量在吸附开始到90min前随时间增长迅速增大，之后吸附趋于平缓，在120min时已达到基本吸附平衡。不同温度下所获得的吸附动力学曲线具有相同的变化趋势，但吸附速率和吸附量随温度的升高而明显增大，表明升高温度有利于吸附进行。Ce-Na2CO3-FA吸附剂对Cd2+的吸附动力学符合准二级吸附速率方程(R2>0.996)，吸附主要受颗粒内扩散控制，并获得吸附过程的表观活化能Eα为67.616kJ·mol-1。
　　 (4)吸附平衡与吸附热力学研究表明：Ce-Na2CO3－FA吸附剂在不同温度(25℃、35℃、45℃)下对溶液中Cd2+的等温吸附实验数据可用Freundlich吸附等温方程进行很好地描述，同时也较好地服从Langmuir等温模型，并由Langmuir等温方程获得的不同温度下Ce-Na2CO3－FA吸附剂对Cd2+的最大吸附容量分别为66.67mg·g-1、71.94mg·g-1和83.33mg·g-1。不同温度下的吸附自由能变△G°<0,吸附标准焓变△H°>0,标准熵变△S°>0,表明Ce-Na2CO3－FA吸附剂对Cd2+的吸附是一自发的吸热过程，且吸附发生后混乱度略有所增大。升高温度有利于吸附进行。
　　 (5)重金属浸出实验表明：不同pH值下，Ce-Na2CO3-FA吸附剂中Cd2+、Cu2+、Zn2+等7种离子的浸出值均低于国家地表水环境质量标准(GB3838-2002)，由此表明Ce-Na2CO3-FA吸附剂用于处理含Cd2+废水，甚至是突发性高浓度含Cd2+废水时不会造成二次污染，安全可行；混合离子干扰实验表明：将一定浓度常见共存离子Cu2+、Zn2+、Pb2+与Cd2+混合对Ce-Na2CO3-FA吸附剂吸附去除Cd2+的影响很小，且该吸附剂同时对4种离子均有很好的去除效果。
　　 (6)通过对Ce-Na2CO3－FA吸附剂进行XRD、SEM、FT-IR及表面电荷测定等表征和分析，对吸附剂的除Cd2+机理进行了初步探讨，吸附剂对Cd2+离子的吸附去除可能是物理吸附与絮凝沉降共同作用的结果。
　　 (7)经济技术分析和环境影响评价表明Ce-Na2CO3－FA吸附剂的制备工艺操作简便、经济可行，在获得一定的环境和社会效益的同时，还可获得一定的经济效益。