物理吸附劑吸附重金屬效果的影響因素研究

物理吸附劑吸附重金屬效果的影響因素研究

目前，我國城市廢物的主要從事集中衛(wèi)生填埋，其中大部分是通過未分類直接填埋。大量重金屬材料，如金屬制品和報廢食品，被填埋，城市垃圾的重金屬污染嚴重。垃圾滲濾液是垃圾填埋后的必然產(chǎn)物,垃圾中的重金屬很容易進入垃圾滲濾液。大量研究表明,垃圾滲濾液中含有大量有毒有害重金屬元素,其中Zn、Pb、Cr、Cd、Hg、Mn和Ni等對環(huán)境污染最嚴重。重金屬廢水的處理方法主要有吸附法、化學沉淀法和催化氧化法等,其中應用多孔吸附材料通過離子螯合、絡合等作用吸附廢水中重金屬的吸附法是最常用的方法之一。目前重金屬廢水治理中應用的物理吸附劑存在費用昂貴、處理效果差、容易造成二次污染等缺點。篩選出成本低、治理效果好且適合垃圾滲濾液重金屬污染治理的吸附劑成為當前亟需解決的問題。鑒于此,本研究選取5種具有潛在吸附特性的物理吸附劑,采用正交吸附試驗設計,研究5種物理吸附劑對模擬重金屬廢水中Pb、Cd、Mn、Zn、Cr和Ni的吸附效果,分析吸附劑加入量、振蕩時間、pH及其交互作用對吸附效果的影響,試圖從中篩選出既經(jīng)濟實用又適合垃圾滲濾液治理應用的物理吸附劑,并確定其最佳吸附條件,為垃圾滲濾液重金屬污染的治理提供經(jīng)濟有效的途徑。1材料和方法1.1試驗材料及吸附劑選擇目前應用較多的活性炭(上?；钚蕴繌S生產(chǎn))及具有潛在吸附能力且價格較為低廉的物理吸附劑:木炭(福州木炭廠)、草木灰(水稻稈燃燒后的灰分)、人造沸石(國藥集團化學試劑有限公司)和爐灰(福建農(nóng)林大學生活區(qū))作為試驗材料,不同吸附劑中重金屬的含量見表1。與中國土壤環(huán)境質(zhì)量標準GB15618-1995Ⅱ(Cd≤0.6mg·kg-1,Cr≤350mg·kg-1,Ni≤60mg·kg-1,Pb≤350mg·kg-1,Zn≤300mg·kg-1)和城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標準GB8172-87(Cd≤3mg·kg-1,Cr≤300mg·kg-1,Pb≤100mg·kg-1)相比,草木灰中Cd超標,爐灰中Ni超標,活性炭中Zn超標,其他吸附劑中的重金屬未超標。1.2實驗用重金屬廢水采取L25(56)正交實驗設計,常溫下,選擇吸附劑加入量(M)、振蕩時間(T)和pH3個因素,每個因素5個水平,并分析各因素間的交互作用,即吸附劑加入量與pH的交互作用(M×pH)、吸附劑加入量與振蕩時間的交互作用(M×T)、pH與振蕩時間的交互作用(pH×T)。試驗因素與水平設置見表2。用不同重金屬的優(yōu)級純或基準試劑配制模擬重金屬廢水,為充分驗證不同吸附劑對重金屬的吸附效果,模擬重金屬廢水以福州垃圾滲濾液中重金屬含量為參考,擴大50-100倍進行試驗,福州垃圾滲濾液中Mn、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr含量分別為4.31、0.82、1.17、0.23、0.19和0.27mg·L-1。模擬廢水中Mn、Ni和Zn濃度為50mg·L-1,Cr、Pb和Cd濃度為40mg·L-1。取50mL的模擬廢水放入100mL的錐形瓶中,分別用HCl(10%)和NaOH(2mol·L-1)調(diào)節(jié)溶液達到要求pH,稱取相應量的吸附劑,放入振蕩器中振蕩相應的時間后取出,用定量濾紙過濾作為待測液。采用北京瑞利儀器公司的原子吸收分光光度計(WFX-136)測定待測液中Mn、Ni、Zn、Cr、Pb、Cd的含量,計算吸附劑對重金屬的吸附率:吸附率/%=(C0-C)/C0×100。式中,C0/mg·L-1為重金屬離子的初始濃度;C/mg·L-1為吸附后重金屬離子的殘留濃度。2結果與分析2.1模擬廢水中6種重金屬的吸附情況由表3和圖1可知,5種物理吸附劑對6種重金屬均有較好的吸附效果,對Pb、Cd、Mn和Zn的最大吸附率均達到90%以上,其中木炭對Pb、Mn和Zn,活性炭對Pb和Cr的最大吸附率達到100%,爐灰對Cr的最大吸附率較小,僅為62.42%。5種物理吸附劑對不同重金屬吸附率表現(xiàn)為Pb:活性炭≥木炭>人造沸石>草木灰>爐灰;Ni:活性炭>人造沸石>木炭>草木灰>爐灰;Cd:草木灰>木炭≥爐灰>人造沸石>活性炭;Mn:木炭>草木灰>人造沸石>爐灰>活性炭;Zn:木炭>草木灰>人造沸石>活性炭>爐灰;Cr:活性炭>木炭>草木灰>人造沸石>爐灰。其中活性炭對Pb、Ni和Cr的吸附率均最大,分別達到了100%、94.42%和100%,但對Cd和Mn的吸附率最低。草木灰對Cd的吸附率最大,達到99.93%。木炭對Mn和Zn的吸附率均最大,達到了100%。木炭和活性炭對Pb的吸附量均最大,達到2g·kg-1;活性炭對Ni的吸附量最大,達到2.36g·kg-1;草木灰、木炭和爐灰對Cd的吸附量均最大,達到2g·kg-1;木炭對Mn和Zn的吸附量均最大,達到2.5g·kg-1;活性炭對Cr的吸附量最大,達到2g·kg-1。經(jīng)處理的模擬廢水中6種重金屬濃度均未超出國家污水綜合排放標準中的3級標準(Mn、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni的含量分別為2.0、2.0、1.0、0.1、1.5、1.0mg·L-1)。通過對5種吸附劑對重金屬吸附效果的對比分析,可以初步篩選出活性炭、木炭和草木灰3種吸附效果較好的吸附劑,本文以下部分僅對這3種吸附劑對重金屬吸附效果及最佳吸附條件進行分析。2.2各重金屬的吸附效果由表4和圖2可知,隨加入量的增大,活性炭對Zn的吸附率先降低后升高,對Mn的吸附率先升高后降低,對Pb、Ni、Cd、Cr的吸附率逐漸升高;隨pH增大,活性炭對Cr的吸附率先降低后升高,對Pb、Ni、Cd、Mn、Zn的吸附率逐漸升高;隨振蕩時間延長,活性炭對Pb的吸附率逐漸升高,對Mn、Ni和Cd的吸附率先升高后降低,然后又升高,對Zn和Cr的吸附率先降低后升高,但存在一定波動。不同影響因素對活性炭吸附Pb和Cr效果的影響為:加入量>pH>振蕩時間,其中加入量對Cr的吸附有顯著影響;對活性炭吸附Mn、Ni、Zn、Cd效果的影響為:pH>加入量>振蕩時間,pH對活性炭吸附這4種重金屬的影響均達到顯著水平。由表5和圖3可知,隨加入量的增大,草木灰對Mn、Ni、Cd和Zn的吸附率逐漸升高,對Pb的吸附率先降低后升高,但變化不明顯,對Cr的吸附率為先升高后降低;隨pH的增大,草木灰對Pb吸附率先升高后降低然后又升高,對Ni、Cd、Mn、Zn、Cr的吸附率逐漸升高;隨振蕩時間的延長,草木灰對Pb、Cr和Cd的吸附率先升高后降低,然后又升高,對Ni、Mn、Zn的吸附率不斷波動。各影響因素對草木灰吸附重金屬效果的影響,6種重金屬均為:pH>加入量>振蕩時間,其中pH和振蕩時間的交互作用對草木灰吸附Pb有顯著影響。由表6和圖4可知,隨加入量的增大,木炭對6種重金屬的吸附率均為先降低后升高;隨pH的增大,木炭對6種重金屬的吸附率基本呈逐漸升高的趨勢,但略有波動;隨振蕩時間的延長,木炭對6種重金屬的吸附率變化較為復雜,出現(xiàn)多次波動。不同影響因素對木炭吸附Pb、Mn和Cd的影響為:pH>加入量>振蕩時間;吸附Ni的影響為:加入量>振蕩時間>pH;吸附Zn和Cr的影響為:pH>振蕩時間>加入量。其中pH對Mn、Cd、Zn和Cr的吸附、pH和振蕩時間的交互作用對的Pb的吸附及加入量對Ni的吸附均有顯著影響,為主要影響因素。從以上分析可以看出,物理吸附劑對重金屬的吸附效果波動較大,原因與吸附劑本身含有一定重金屬及吸附過程中重金屬存在被吸附和溶出的變化有關,因此最佳吸附條件的選擇顯得尤為重要。活性炭對Cd、Mn、Zn和Ni,木炭對Pb、Mn和Cd及草木灰對6種重金屬的吸附過程中,不同影響因素對吸附效果影響均表現(xiàn)為:pH>加入量>振蕩時間,說明pH和加入量是物理吸附劑吸附重金屬的主要影響因素。2.3pb、ni、cd、pb的最佳吸附條件由表7可知,活性炭對Pb最佳吸附條件為M2pH3T3:加入量2g·L-1,pH為4-4.5,振蕩時間為90min;對Mn、Ni和Cd的最佳吸附條件均為M5pH5T5:加入量40g·L-1,pH為10-10.5,振蕩時間為180min;對Zn的最佳吸附條件為M1pH5T4:加入量1g·L-1,pH為10-10.5,振蕩時間為120min;對Cr的最佳吸附條件為M5pH4T5:加入量40g·L-1,pH為8-8.5,振蕩時間為180min。由表8可知,木炭對Pb的最佳吸附條件為M5pH5T1:加入量40g·L-1,pH為10-10.5,振蕩時間為30min;對Mn的最佳吸附條件為M5pH5T2:加入量40g·L-1,pH為10-10.5,振蕩時間為60min;對Zn的最佳吸附條件為M5pH5T5:加入量40g·L-1,pH為10-10.5,振蕩時間為180min;對Ni的最佳吸附條件為M4pH3T2:加入量20g·L-1,pH為7,振蕩時間為60min;對Cd的最佳吸附條件為M5pH5T2:加入量40g·L-1,pH為10-10.5,振蕩時間為60min;對Cr的最佳吸附條件為M5pH4T4:加入量40g·L-1,pH為8-8.5,振蕩時間為120min。由表9可知,草木灰對Pb最佳吸附條件為M5pH3T5:加入量40g·L-1,pH為7,振蕩時間為180min;對Mn、Ni和Cd的最佳吸附條件均為M5pH5T5:加入量40g·L-1,pH為10-10.5,振蕩時間為180min;對Zn的最佳吸附條件為M5pH5T4:加入量40g·L-1,pH為10-10.5,振蕩時間為120min;對Cr的最佳吸附條件為M2pH1T4:加入量2g·L-1,pH為2-2.5,振蕩時間為120min。從以上分析可以看出,不同吸附劑對不同重金屬的最佳吸附條件存在一定差異,但各影響因素對不同吸附劑吸附重金屬的影響均表現(xiàn)為:pH>加入量>振蕩時間,因此在優(yōu)先考慮pH及加入量的影響前提下,3種吸附劑對6種重金屬的最佳吸附條件為M5pH5T5:加入量40g·L-1,pH為10-10.5,振蕩時間為180min。3重金屬的吸附能力(1)活性炭對Pb、Ni和Cr的吸附率均為最大,分別達到100%、94.42%和100%,適合這3種重金屬含量較高的廢水的治理,但對Cd和Mn的吸附率最低;草木灰對Cd的吸附率最大,達到99.93%,適合Cd含量較高廢水的治理;木炭對Mn和Zn的吸附率最大,均達到了100%,適合這2種重金屬含量較高廢水的治理。