改性麦饭石对水中Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的吸附性能研究

摘要

随着镉、铬及其化合物在工业中广泛生产和应用，大量含镉、铬废水进入水体产生的镉、铬重金属污染越来越严重，危害人类健康及生存环境和发展。麦饭石是一种对生物无毒、无害并具有一定生物活性的多孔药用岩石，用物理化学等手段改性处理后的麦饭石作为吸附剂，可有效提高其对水中的镉、铬等重金属污染离子去除能力，具有操作工艺及设备简单、成本低廉等优点。
　　本文以山东蒙阴麦饭石为原料，以麦饭石用量和Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)初始浓度为变量进行其对水中的镉、铬等重金属污染离子吸附去除试验，确定麦饭石适宜用量和Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)较佳初始浓度;依次对麦饭石采用粒度改性、热处理改性、硫酸改性、二氧化锰改性四种不同物理化学方法进行了改性制备工艺优化研究;探究了麦饭石粒度大小，热处理改性温度、时间，硫酸浓度、硫酸用量、硫酸酸化改性时间，生成二氧化锰与麦饭石质量比、陈化时间、二氧化锰改性麦饭石、重金属离子溶液pH值等影响因素对水中Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)吸附性能的影响。对改性前后的麦饭石用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、NOVA2000e全自动比表面积及孔隙度分析仪进行了表征，用电感耦合等离子发射光谱法(ICP-OES)检测了其对水中的Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的吸附性能，对二氧化锰改性麦饭石吸附水中Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的吸附等温曲线和动力学进行探讨，研究其吸附机理。这为进一步提高麦饭石矿物的附加值及其对水体中Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)等重金属离子的吸附净化作用提供了一种新思路和方法。
　　本文得到的主要结论如下:
　　(1)对天然麦饭石和改性麦饭石进行表征，发现改性前后麦饭石的矿物成分不变，主要由钠长石和石英组成;经二氧化锰改性改后的麦饭石表面覆盖一层黑色锰氧化物;改性后麦饭石的比表面积、孔体积和孔径均在一定程度上有所增大，更利于其对Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的吸附。
　　(2)结合麦饭石对Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的吸附率和吸附量，静态接触吸附时间24h条件下，确定天然麦饭石的适宜用量为20g，Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的较佳初始浓度皆为50mg/L，达到的吸附率分别为65.01％、42.76％。
　　(3)粒度越小，麦饭石比表面积越大，其对Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的吸附率也越大，综合考虑吸附率与抽滤洗涤的难度等因素，本文选用160-200目麦饭石进行吸附实验，其对Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的吸附分别达到70.82％、55.74％。
　　(4)热处理改性的较好的温度为400℃，处理时间为2h，热处理改性麦饭石对水中Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的吸附率分别达到为93.31％、74.5％。
　　(5)硫酸改性麦饭石中当硫酸浓度为1mol/L、硫酸用量为100mL、硫酸处理时间为60min时效果较好，其对Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的吸附率分别达到94.12％、77.98％。
　　(6)二氧化锰改性麦饭石中，生成的二氧化锰与麦饭石质量比为7∶20，陈化时间24h，改性麦饭石用量为3g，Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的pH值分别为6.02、6.07时，吸附效果较佳，其对Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的吸附率分别达到98.62％、92.58％。
　　(7)通过二氧化锰改性麦饭石除去水中Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的相关数据进行吸附等温方程和动力学方程拟合，结果表明改性后麦饭石的吸附更适合用朗格缪尔(Langmuir)吸附等温模型来进行描述，这说明二氧化锰改性麦饭石的吸附过程属于单分子层吸附，由此计算出吉布斯自由能△G小于零，说明改性后麦饭石对Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的吸附是自发进行的放热反应;二氧化锰改性麦饭石对Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的吸附动力学过程符合准二级动力学方程，可预测时间对吸附过程的影响。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 重金属废水污染及其危害

1．2 铬、镉在环境中的化学形态

1．2．1 铬的化学形态

1．2．2 镉的化学形态

1．3 含铬、镉重金属离子废水的来源和危害

1．3．1 含铬重金属离子废水的来源与危害

1．3．2 含镉重金属离子废水的来源与危害

1．4 废水中除铬、镉的研究现状

1．4．1 吸附法

1．4．2 离子交换法

1．4．3 化学氧化还原法

1．4．4 化学沉淀法

1．4．5 膜分离法

1．4．6 生物吸附法

1．5 麦饭石及其吸附重金属离子的国内外研究现状

1．5．1 麦饭石的结构特点以及表面状况

1．5．2 麦饭石吸附重金属离子的国内外研究现状

1．6 本课题研究内容、意义和技术路线

1．6．1 研究内容

1．6．2 研究意义

1．6．3 研究技术路线

第2章 实验主要原料、方法和设备

2．1 实验原料及试剂

2．1．1 实验原料

2．1．2 主要试剂

2．2 实验主要仪器和设备

2．3 改性麦饭石的制备方法

2．3．1 麦饭石的预处理方法

2．3．2 麦饭石的粒度改性方法

2．3．3 麦饭石的硫酸改性方法

2．3．4 麦饭石热处理改性方法

2．3．5 麦饭石的二氧化锰改性方法

2．4 改性前后麦饭石的吸附实验方法

2．4．2 改性麦饭石对水中Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)的吸附实验

2．5 样品分析与表征方法

2．5．1 X射线荧光光谱分析

2．5．2 X射线衍射仪衍射分析

2．5．3 扫描电镜分析及检测

2．5．4 比表面积和孔径分析

2．5．5 重金属离子的分析方法

第3章 改性前后麦饭石研究

3．1 麦饭石原样的成分、结构与形貌分析

3．2 改性前后麦饭石表面形态分析

3．3 改性前后麦饭石SEM图表征

3．4 二氧化锰改性麦饭石EDAX分析

3．5 改性后麦饭石XRD分析

3．6 改性前后麦饭石比表面积和孔径分析

3．7 本章小结

第4章 改性前后麦饭石对水中重金属Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)的吸附性能研究

4．1 麦饭石原样对Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)的吸附性能的影响

4．1．1 麦饭石用量的影响

4．1．2 Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)初始浓度的影响

4．2 粒度对Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)的吸附性能的影响

4．3 热处理改性对Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)的吸附性能的影响

4．3．1 热处理温度的影响

4．3．2 热处理时间的影响

4．4 硫酸改性对Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)的吸附性能的影响

4．4．1 硫酸浓度的影响

4．4．2 硫酸用量的影响

4．4．3 硫酸处理时间的影响

4．5 二氧化锰改性对Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)的吸附性能的影响

4．5．1 二氧化锰与麦饭石质量比的影响

4．5．2 陈化时间的影响

4．5．3 二氧化锰改性麦饭石投加量的影响

4．5．4 溶液pH值的影响

4．6 本章小结

第5章 二氧化锰改性麦饭石吸附机理研究

5．1 吸附等温曲线与吸附动力学理论基础和实验设计

5．1．1 吸附等温曲线理论基础

5．1．2 吸附动力学理论基础

5．1．3 实验设计

5．2 二氧化锰改性麦饭石吸附Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)等温曲线模拟

5．2．1 Langmuir吸附等温曲线

5．2．2 Freundlich吸附等温曲线

5．3 二氧化锰改性麦饭石吸附Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的动力学研究

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果