微波吸附法去除重金屬離子的實(shí)驗(yàn)研究

微波吸附法去除重金屬離子的實(shí)驗(yàn)研究

1實(shí)驗(yàn)部分1.1全尾砂l(fā)v-雙環(huán)[3.2.3]分析ph-25ph計(jì)（上海勝磁儀有限公司）、wmx-a微波鎖狀分析儀（韶關(guān)廣志科技設(shè)備有限公司）、w象征意義-110a原子吸收光度計(jì)（北京瑞利分析儀公司）、jm-6360v掃描電子顯微鏡（日本電子公司）、d-max2500輻射衍射儀（日本科學(xué)學(xué)會(huì)）；鋅粉、pb（no3）2，cd（no3）2，4h2o，濃亞硝酸鹽和濃鹽酸（分析試劑為純或純化）；聚醚聚醚膜（德國(guó)membrana）；硅藻土（吉林省洪億制藥有限公司生產(chǎn)，未經(jīng)處理，主要成分為石英、蒙脫石、高嶺石）、赤峰膨潤(rùn)土（俗稱膨潤(rùn)土，內(nèi)蒙古潤(rùn)龍化工有限公司未純化，主要成分為石英、蒙脫石、高嶺石、白云母、微長(zhǎng)石）。1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1標(biāo)準(zhǔn)水溶液的配制依據(jù)湖南省某大型鋅冶煉廠高濃度重金屬廢水特征和WFX-110A型原子吸收分光光度計(jì)的檢測(cè)限,分別配制初始濃度依次為CZn2+=20mg·L-1(參照文獻(xiàn)方法配制)、CPb2+=50mg·L-1(參照文獻(xiàn)方法配制)、CCd2+=20mg·L-1(參照文獻(xiàn)方法配制)的重金屬標(biāo)準(zhǔn)水溶液.具體方法如下:(1)Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制準(zhǔn)確稱取0.5000g鋅粉,用適量濃鹽酸溶解后,蒸發(fā)至近干,以除去多余的鹽酸,再以二次蒸餾水定容至500mL,得1000mg·L-1Zn2+儲(chǔ)備液,再將儲(chǔ)備液稀釋50倍得20mg·L-1Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液,pH=3.18;(2)Pb2+標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制準(zhǔn)確稱取0.7993gPb(NO3)2用二次蒸餾水溶解定容至500mL,得1000mg·L-1Pb2+儲(chǔ)備液,再將儲(chǔ)備液稀釋20倍得50mg·L-1Pb2+標(biāo)準(zhǔn)溶液,pH=5.95;(3)Cd2+標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制準(zhǔn)確稱取1.3721gCd(NO3)2·4H2O,用二次蒸餾水溶解定容至500mL,得1000mg·L-1Cd2+儲(chǔ)備液,再將儲(chǔ)備液稀釋50倍得20mg·L-1Cd2+標(biāo)準(zhǔn)溶液,pH=6.44.1.2.2硅藻土和膨潤(rùn)土對(duì)z2+及cd2+的去除效果準(zhǔn)確稱取0.1500g硅藻土或膨潤(rùn)土10份,分別置于100mL單口燒瓶中,加入50mLZn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液.在室溫下,快速攪拌一定時(shí)間后,經(jīng)5000r·min-1高速離心3min(若用膨潤(rùn)土作吸附劑,離心后向渾濁的離心液中加入0.2mL0.01g·L-1聚丙烯酰胺溶液絮凝未離心完全的膨潤(rùn)土,再經(jīng)5000r·min-1高速離心3min),向離心液加入兩滴濃硝酸作為基體改進(jìn)劑(酸化后,溶液pH=2).移取10mL離心液,用聚醚砜膜過濾,用原子分光光度法測(cè)定濾液中殘留Zn2+的濃度,分別計(jì)算不同吸附時(shí)間下硅藻土和膨潤(rùn)土對(duì)Zn2+的去除率.按同樣方法,獲得不同吸附時(shí)間下硅藻土和膨潤(rùn)土對(duì)Pb2+和Cd2+的去除率.1.2.3x-射線衍射分析xrd將經(jīng)60℃真空干燥的硅藻土和膨潤(rùn)土研磨成粉末狀,在X射線衍射儀上進(jìn)行分析.測(cè)試條件:射線源為Cu-Kα(40kV,250mA),掃描速率為9.0°·min-1,掃描范圍為2θ在3.0°—65.0°.1.2.4固體表觀形貌的觀察將經(jīng)60℃真空干燥的硅藻土、膨潤(rùn)土以及分別吸附Zn2+、Pb2+和Cd2+后的硅藻土、膨潤(rùn)土研磨成粉末狀,在試樣表面噴涂一層金膜,用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡觀察其固體表觀形貌.測(cè)試條件:加速電壓為25kV,掃描倍率為×2000和×10000.2結(jié)果與討論2.1添加聚丙烯酰胺對(duì)z2+、pb2+和cd2+膨潤(rùn)土的吸附能力實(shí)驗(yàn)方法見1.2.2,改變攪拌時(shí)間,考察吸附時(shí)間對(duì)3種重金屬離子去除率的影響,結(jié)果見圖1.由圖1可知,以硅藻土和膨潤(rùn)土作為吸附劑,吸附時(shí)間對(duì)3種重金屬離子的去除率影響較小,吸附速度都較快,均可在數(shù)分鐘內(nèi)達(dá)到吸附平衡,適合重金屬工業(yè)廢水的連續(xù)化處理.吸附達(dá)到平衡時(shí),硅藻土對(duì)Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率分別為76.1%、78.9%和82.5%.因膨潤(rùn)土不易沉降,加入適量聚丙烯酰胺促進(jìn)沉降,但聚丙烯酰胺的加入,導(dǎo)致Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率略有升高,增幅程度依次為2.6%、1.9%和1.5%.加入聚丙烯酰胺后,膨潤(rùn)土對(duì)Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率分別為83.1%、92.7%和85.4%.由重金屬離子的去除率可見,相同質(zhì)量膨潤(rùn)土的吸附能力優(yōu)于硅藻土.2.2硅藻土的z2+等離子束的最適吸附量實(shí)驗(yàn)方法見2.1,加入重金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液后,立即微波加熱45s,溶液溫度由室溫升至56℃,其它條件不變,考察微波加熱與否對(duì)吸附劑吸附重金屬離子的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1.由圖1可知,微波加熱后,硅藻土對(duì)3種重金屬離子的吸附能力沒有明顯的提高;膨潤(rùn)土的吸附能力有顯著的提高,其中對(duì)Zn2+的去除率提高最大.吸附達(dá)到平衡時(shí),硅藻土對(duì)Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率分別為76.4%、80.5%和82.8%;膨潤(rùn)土對(duì)Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率分別為90.1%、95.8%和85.4%.膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主要礦物成分的非金屬礦產(chǎn),蒙脫石晶胞形成的層狀結(jié)構(gòu)存在某些陽離子,如Cu2+、Mg2+、Na+、K+等,且這些陽離子與蒙脫石晶胞的作用很不牢固,易被其它陽離子交換,故具有較好的離子交換性.由圖2和圖3(a、b、f和g)可以看出,雖然微波加熱對(duì)硅藻土和膨潤(rùn)土的結(jié)構(gòu)、微觀形貌均沒有明顯的影響,但微波加熱能提高膨潤(rùn)土對(duì)重金屬離子的吸附能力,這是因?yàn)槲⒉ㄗ鳛橐环N電磁波,具有波粒二象性和獨(dú)特的加熱方式,對(duì)流體中物質(zhì)進(jìn)行選擇性加熱,對(duì)吸收波的物質(zhì)有低溫催化作用,能促進(jìn)重金屬離子與蒙脫石晶胞內(nèi)的某些陽離子之間的交換,能促進(jìn)吸附劑與污染物之間形成的積聚物的沉淀反應(yīng)更完全、更快速.2.3吸附劑用量對(duì)重金屬離子去除率的影響實(shí)驗(yàn)方法見1.2.2,為充分達(dá)到吸附平衡,吸附時(shí)間設(shè)定為1h.各取8份分別作為1組,吸附劑用量(每升重金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液所需吸附劑的用量)依次為1、2、3、4、5、6、7和8g,其它條件不變.考察吸附劑用量對(duì)3種重金屬離子去除率的影響.由圖4可知,吸附劑用量對(duì)去除率的影響較為明顯,其中硅藻土的用量對(duì)Pb2+的去除率影響最大.在最大吸附劑用量下,硅藻土對(duì)Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率分別為78.6%、89.3%和86.2%;膨潤(rùn)土對(duì)Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率分別為82.9%、94.5%和93.1%.從經(jīng)濟(jì)角度和重金屬離子的去除率等方面考慮,硅藻土和膨潤(rùn)土的最佳用量分別為7g·L-1和8g·L-1.2.4z2+溶液ph值實(shí)驗(yàn)方法見1.2.2,用濃硝酸和氫氧化鈉溶液調(diào)配不同pH值的重金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液,濃度依次為CZ2n+=20mg·L-1、CPb2+=50mg·L-1、CCd2+=20mg·L-1.吸附時(shí)間設(shè)定為1h.取不同pH值的重金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液,以6份作為1組.Zn2+溶液pH值依次為1.20、3.18、4.81、7.52、10.15和11.47;Pb2+溶液pH值依次為1.60、3.17、5.35、7.37、9.65和10.72;Cd2+溶液pH值依次為1.45、3.07、4.40、6.44、8.75和10.46,其它條件不變.考察溶液不同pH值對(duì)3種重金屬離子去除率的影響.由圖5可知,隨著溶液pH值的升高,硅藻土和膨潤(rùn)土對(duì)3種重金屬離子的去除率呈逐漸增大的趨勢(shì).溶液pH值在酸性區(qū)間時(shí),硅藻土的孔道被大量的H+包覆,阻礙了重金屬離子進(jìn)入孔道,膨潤(rùn)土表面的吸附位點(diǎn)被H+占據(jù),與重金屬離子形成了競(jìng)爭(zhēng)吸附,同時(shí)不利于硅藻土和膨潤(rùn)土與重金屬離子之間的離子交換吸附;溶液pH值在堿性區(qū)間時(shí),離子交換吸附作用加強(qiáng),同時(shí)部分重金屬離子以氫氧化物沉淀形式去除.2.5硅藻土物理吸附機(jī)理由圖3(a)和3(b)可以看出,經(jīng)微波加熱處理和未經(jīng)微波加熱處理的硅藻土在外觀上沒有明顯的差別,殼體上均有大量有序排列的小圓孔,因此硅藻土具有很大的比表面積.比表面積越大,其吸附量越大;孔徑越大,重金屬離子在孔內(nèi)的擴(kuò)散速率越大,則越有利于達(dá)到吸附平衡;孔徑一定時(shí),孔容越大,吸附量就越大.硅藻土的表面及其孔內(nèi)表面附有大量的硅羥基,硅羥基在水溶液中離解出H+,使其顆粒表現(xiàn)出一定的負(fù)電性,所以對(duì)于帶正電荷的重金屬離子來說,它可通過電中和作用被吸附而穩(wěn)定.研究表明硅藻土對(duì)Zn2+、Cd2+的吸附過程為物理吸附過程,而對(duì)Pb2+的吸附過程以粒內(nèi)擴(kuò)散為主.由圖3(c—e)可以看出,吸附Zn2+、Pb2+、Cd2+后的硅藻土的大部分孔道被吸附物填充,孔道變得小而模糊.由圖3(f—j)可以看出,微觀下膨潤(rùn)土呈不規(guī)則的塊狀,經(jīng)微波加熱和吸附重金屬離子后,其外觀無顯著的變化.但是,微波加熱能提高膨潤(rùn)土對(duì)重金屬離子的吸附能力.這是因?yàn)榕驖?rùn)土吸附重金屬離子的機(jī)理與硅藻土不同,膨潤(rùn)土對(duì)重金屬離子的吸附是一個(gè)復(fù)雜的非均相固液離子交換與吸附過程,它的重要成分蒙脫石起主要吸附作用.蒙脫石對(duì)溶液中重金屬離子的吸附主要是由兩部分組成:層間離子交換吸附和表面離子吸附;在某些情況下還可能在膨潤(rùn)土的表面形成表面化合物,從而產(chǎn)生表面沉淀吸附.它是用其富含的大量游離K+、Na+、Ca2+、Mg2+等陽離子與重金屬離子交換,從而起到去除重金屬離子的作用.微波加熱能促進(jìn)重金屬離子與蒙脫石晶胞內(nèi)陽離子之間的交換,從而提高膨潤(rùn)土對(duì)重