凹凸棒石复合吸附剂处理含锌电镀废水的研究

以凹凸棒石和粉煤灰为原料，添加一定量的粘结剂混合造粒制成复合颗粒吸附剂，用于处理含Zn2+废水。实验研究了吸附材料的投加量、吸附反应时间及pH值对颗粒复合材料对锌离子吸附去除率的影响。通过正交试验研究得出凹凸棒石/粉煤灰颗粒复合材料优化吸附工艺条件为：颗粒吸附材料投加量为0.05g/mL，溶液pH为8，吸附反应时间为60min。处理含锌离子浓度为13.86mg/L的电镀废水，锌离子去除率达到87.79%，处理后残留锌离子浓度为1.692mg/L，达到国家污水综合排放一级标准。 凹凸棒粘土是指以凹凸棒(Attapulgite)为主要成分的一种粘土矿物。它是一种具有独特性能的层链状分子结构的含水富镁铝硅酸盐矿物。它具有独特的层链状晶体结构和十分细小(约0.01μm×1μm)的棒状、纤维状晶体形态。凹凸棒粘土具有独特的分散、耐温、耐盐碱等良好的胶体性质和较高的吸附脱色能力，具有一定的可塑性和粘结力，使其在各行各业得到广泛应用。凹凸棒土在净化重金属污水及印染废水的脱色中，用量小，并且适用的pH范围广，效率高，是一种价格低廉的废水处理剂。电镀是工业上通用性强、涉及面广的行业之一，几乎所有工业部门都有电镀加工。由于其跨行业分散在各工业部门，缺乏统一的协调和规划，加之工艺比较落后，技术力量薄弱，装备得不到更新，因此电镀厂每年要排放大量的电镀废水，重金属离子是电镀废水中的重要污染物，如不加以治理，将对环境造成严重的污染。 实验的目的就是通过制备具有高吸附性能的凹凸棒/粉煤灰复合颗粒吸附剂，吸附电镀废水中的锌离子，探讨各不同条件下的吸附性能，寻求最佳的处理工艺条件，使重金属离子得以去除，以寻求经济、高效、可行的重金属处理方法。 1 实 验 1.1 原料 试验采用的凹凸棒石原矿取自安徽明光官山，属沉积型凹凸棒石，其主要成分为SiO2，Al2O3，MgO，H2O等；经武汉理工大学材料测试中心分析其化学成分为：SiO2：55.6%，Al2O3：9.0%，Fe2O3：6.70%，TiO2：0.63%，CaO：1.95%，MgO：11.35%， K2O：1.30%，Na2O：0.11%，MnO：0.63%，烧失量：11.80%，总计：99.05%。 试验所用粉煤灰取自湖北武汉某火力发电厂的干排粉煤灰。经武汉理工大学材料测试与研究中心X射线荧光光谱仪定量分析其化学成分为SiO2，Al2O3，MgO，H2O等；经武汉理工大学材料测试中心分析其化学成分为：SiO2：38.66%，Al2O3：20.86%，Fe2O3：4.25%，TiO2：0.98%，CaO：18.94%，MgO：1.21%， K2O：1.81%，Na2O：0.42%，SO3：3.33%，P2O5：0.35%，烧失量：8.64%，总计：99.45%。将凹凸棒石、粉煤灰、添加剂、水按一定比例混合，混合时注意应先将凹凸棒粉末与粉煤灰充分混合，陈化24h，手工制成粒径约1～2mm颗粒，制作完成后，将球形颗粒在自然条件下风干约40min，然后在105℃干燥箱内烘干约40min，最后置于马弗炉中焙烧30min成型，冷却后即得到所需颗粒吸附材料。 1.2 主要的实验设备及试剂 主要的实验设备有电子天平，回转吸附反应槽，分光光度计，马弗炉和电热恒温干燥箱。 主要的实验试剂为七水硫酸锌(ZnSO4.7H2O)，抗坏血酸(C6H8O6)，氟化铵(NH4F)，L-半胱氨酸(NH4F)，L-半胱氨酸(L-C6H12N2O4S2)，无水乙酸钠(CH3COONa)，冰乙酸(CH3COOH)，二甲酚橙(C31H32N2O13S)，品级均为AR级。 2 结果与讨论 2.1 pH值对吸附效果的影响 取100mL水样于5个250mL的锥形瓶中，室温下调节其pH值依次为2，4，6，8，10，加入凹凸棒/粉煤灰复合吸附颗粒吸附剂，将上述5个锥形瓶置于吸附反应频率为120r/min的回转吸附反应槽上吸附反应60min后，过滤测定滤液中残余锌离子浓度。测定结果见图1所示。 由图1可以看出，pH对凹凸棒/粉煤灰复合吸附颗粒吸附废水中锌离子的影响显著。当pH=2左右时，吸附效果不理想；当pH>7时，吸附效果变化不显著；当pH=6时，吸附去除率为85.20%，残留的废水中锌离子浓度为2.05mg/L，pH=8时，吸附去除率为88.11%，残留的废水中锌离子浓度为1.65mg/L。故在中性环境下凹凸棒/粉煤灰复合颗粒对锌离子的吸附效果较好。基于以下2点考虑：1)从吸附效果上看，pH在中性附近时，处理效果较好；2)在废水处理中，pH本身也是一项控制的指标，排水一般要求达到中性。故取最适宜pH=7。 2.2 吸附剂用量对吸附效果的影响 取100mL水样于5个250mL的锥形瓶中，在室温下调节其pH=7后，依次在锥形瓶中投加1g，3g，5g，7g，9g凹凸棒/粉煤灰复合吸附颗粒，将上述5个锥形瓶置于吸附反应频率为120r/min的回转吸附反应槽上吸附反应60min后，过滤测定滤液中的残余的锌离子浓度。测定结果见图2所示。 从图2可以看出：随着凹凸棒/粉煤灰复合吸附材料的增加，吸附去除率逐渐增大。当吸附剂投加量较低时，吸附效果显著增加，当吸附剂投加量为0.05g/mL时，吸附去除率为87.30%，残留的废水中锌离子浓度为1.76mg/L；当吸附剂投加量大于0.05g/mL时，吸附率增加不显著。故取吸附剂投加量为0.05g/mL为宜。 2.3 吸附反应时间对吸附效果的影响 取100mL水样于5个500mL的锥形瓶中，在室温下调节其pH=7后，在每个锥形瓶中投加凹凸棒/粉煤灰复合吸附颗粒，将上述5个锥形瓶置于吸附反应频率为120r/min的回转吸附反应槽上分别吸附反应20min，40min，60min，80min，100min后，过滤测定滤液中的残余的锌离子浓度。测定结果见图3所示。 从图3可以看出：随着吸附反应时间的延长，吸附去除率逐渐增大。吸附时间从20min到40min时，吸附效果显著，当吸附时间为40min时，吸附去除率为87.95%，残留的废水中锌离子浓度为1.67mg/L；当吸附时间大于40min时，吸附效果不显著。因此取最佳吸附反应时间t=40min。 2.4 正交试验 上述探讨了各个单因素(pH值、颗粒吸附剂用量、吸附反应时间)对凹凸棒/粉煤灰复合吸附材料吸附锌离子效果的影响，初步确定了单个试验条件值，但那只能反映单个试验因素作用下凹凸棒/粉煤灰吸附材料去除电镀废水中锌离子的吸附去除率的变化趋势。因此为了探讨在各因素的综合作用下凹凸棒/粉煤灰吸附材料去除锌离子的优化条件，进行了3个因素3个水平的正交试验。其正交试验因素见表1所示。 正交试验及其结果如表2所示。 由表2极差分析可以看出：凹凸棒/粉煤灰颗粒吸附剂的投加量对废水中锌离子吸附性能的影响最显著。3种因素的影响程度顺序为：颗粒吸附剂投加量>吸附反应时间>pH值，说明在废水处理中控制凹凸棒/粉煤灰的投加量至关重要，这不仅关系到处理效果的好坏，而且关系到处理成本的高低。 由表2正交试验结果可以看出，编号5的处理效果最好，锌离子的吸附去除率达到87.79%，吸附后的废水中锌离子浓度仅为1.692mg/L，低于国家污水综合排放标准(GB8978—1996)中的一级标准(2mg/L)。 3 结 语 综上所述，通过正交试验研究结果表明：颗粒投加量、吸附反应时间和pH值3种因素对电镀废水中锌离子吸附性能影响程度顺序为：颗粒投加量>吸附反应时间>pH值。由此确定凹凸棒/粉煤灰颗粒复合材料优化吸附工艺条件为：颗粒吸附材料投加量为0.05g/mL，吸附反应时间为60min，溶液pH为8。颗粒吸附材料在上述优化工艺条件下处理含Zn2+浓度为13.86mg/L的电镀工业废水，其残留浓度低于国家污水综合排放标准。