电解锰渣基复合吸附材料制备及去除废水中六价铬研究

摘要

电解锰渣(Electrolytic manganese residue,简写为EMR)是将电解锰采用湿法冶炼产品过程中所形成的浸酸压滤渣。随着中国电解锰工业生产量的剧增以及原矿品位的降低,锰渣堆存量不断增加。由于电解锰渣中包括了部分重金属单质和化合物,未妥善处置直接堆放会对土壤以及水体产生影响,造成严重的环境污染。因此,将电解锰渣进行资源化和减量化具有重要的现实意义。铬(Cr)离子是一种高毒性的重金属离子,是水体重金属污染的监测指标之一。随着电锻、印染、制革等行业的飞速发展,大量含有Cr(VI)的工业废水被排入水体,导致水污染问题日益严峻。因此,快速、高效地去除废水中的Cr(VI)是当前的研究热点。电解锰渣(EMR)的主要成分是硅酸盐、二氧化硅、硫酸镁、硫酸钙及少量重金属盐,其中Ca SO4·2H2O含量占40%左右,Si O2约25%左右。EMR中还存在铁、锌、铝等具备吸附性能的活性分子,而用它去除Cr(VI)的相关研究则未见报导。如果能以电解锰渣为基础材料,通过对其改性制备成能够处理重金属污染废水的材料,不仅能解决废水污染的治理问题,还能实现电解锰渣的减量化和无害化处理,解决电解锰渣堆存占用土地等难题,将会产生显著的环境、社会和经济效益。论文中选取了电解锰渣并将其进行不同的有机化学改性,设计并制成了两种复合吸附材料,并对该复合材料在工业废水中对六价铬的去除特性展开了相关条件研究与机制探讨。具体的内容和结论如下:电解锰渣基聚吡咯吸附剂(EMR-PPY)本章主要将电解锰渣与聚吡咯进行混合后改性制作成为一种复合吸附剂,并将其应用于水体中六价铬的去除。利用静态吸附平衡实验研究溶液初始p H、接触时间、初始浓度和反应温度等实验对于其吸附和去除Cr(VI)效果的影响,通过解吸实验和去除前后的表征分析,探讨吸附剂对于六价铬去除机理。通过响应面的方法,其结论为;当EMR-PPY去除六价铬时,最佳溶液p H为2.0,吸附更加符合准二级动力学模型和Langmuir模型,当温度从30℃升高到50℃,EMR-PPY对六价铬的吸附容量从153mg/g增加到182mg/g。EMR-PPY去除六价铬主要的机制为表面还原、静电吸引和离子交换。电解锰渣基-壳聚糖吸附剂(EMR-CS)本章主要将电解锰渣与壳聚糖进行混合后改性制作成为一种复合吸附剂,并将其应用于水体中六价铬的去除,利用静态吸附平衡实验研究溶液初始p H、接触时间、初始浓度和反应温度等实验对于其六价铬去除效果的影响,通过解吸实验和去除前后的表征分析,探讨吸附剂对于六价铬去除机理。其结论为当EMR-CS去除六价铬时,最佳溶液p H为2.0处,EMR-CS吸附更加符合准二级动力学模型。EMR-CS对六价铬的吸附容量由于溶液初始浓度的增加而增加,并且逐渐到达平衡。当温度从30℃升高到50℃,EMR-CS对于六价铬的吸附量从150mg/g增加到160mg/g,该材料循环4次去除率在90%以上。EMR-CS去除六价铬主要的机制为静电吸引、氧化还原、络合作用。

目录

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 铬污染废水处理技术

1.1.1 化学还原沉淀法

1.1.2 膜分离法

1.1.3 离子交换法

1.1.4 生物法

1.1.5 光催化法

1.2 电解锰渣的概述

1.2.1 电解锰渣的来源及危害

1.2.2 电解锰渣的无害化处理

1.2.3 电解锰渣的资源化利用

1.3 研究内容及研究意义

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究意义

1.3.3 研究创新点

1.3.4 技术路线图

第2章 实验材料与研究方法

2.1 实验原料

2.2 实验药剂

2.3 实验仪器及设备

2.4 表征手段及条件

2.4.1 X射线荧光光谱(XRF)

2.4.2 X射线衍射分析(XRD)

2.4.3 傅里叶红外光谱分析(FTIR)

2.4.4 扫描电子显微镜分析(SEM)

2.4.5 比表面积及孔体积测试(BET)

2.4.6 X射线光电子能谱(XPS)

2.4.7 响应面优化法

2.4.8 浸出毒性实验

2.5 吸附效果评价

2.5.1 去除率与吸附容量的计算

2.5.2 吸附等温模型

2.5.3 吸附动力学模型

2.5.4 吸附热力学模型

第3章 电解锰渣基-聚吡咯吸附剂的制备及其性能研究

3.1 实验部分

3.1.1 复合吸附剂的制备

3.1.2 吸附实验

3.1.3 脱附实验

3.2 实验结果与讨论

3.2.1 EMR-PPY 制备条件优化

3.2.2 吸附实验

3.2.3 脱附实验

3.2.4 材料表征

3.3 机理分析

3.4 本章小结

第4章 电解锰渣基-壳聚糖复合吸附剂制备及其性能研究

4.1 实验部分

4.1.1 复合吸附剂的制备

4.1.2 吸附实验

4.1.3 脱附实验

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 吸附实验

4.2.2 脱附

4.2.3 材料表征

4.3 机理分析

4.4 本章小结

第5章 响应面法优化实验条件

5.1 响应面法概述

5.2 BBD实验结果

5.3 模型选择

5.4 响应曲面分析

5.5 响应面优化结果的验证

5.6 本章小结

第6章 工业应用分析

6.1 浸出毒性

6.1.1 浸出毒性实验

6.1.2 实验结果

6.2 应用前景

6.2.1 吸附效果

6.2.2 循环利用

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献