赤泥對(duì)含銅廢水的吸附性能研究

陸愛華

(山東省聊城第二中學(xué)，山東 聊城 252000)

赤泥對(duì)含銅廢水的吸附性能研究

陸愛華

(山東省聊城第二中學(xué)，山東 聊城 252000)

赤泥是氧化鋁工業(yè)產(chǎn)生的固體廢渣，由于其比表面積大，具有較好的吸附性能。本文將赤泥用于含銅廢水的處理，并通過實(shí)驗(yàn)探索赤泥吸附含銅廢水的條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，赤泥吸附劑在pH值=4，投加量為6g/L，吸附時(shí)間為45min，在室溫的條件下，吸附率可達(dá)到99.73%，吸附量可達(dá)90.9mg/g；進(jìn)行了等溫吸附模型研究，研究結(jié)果表明赤泥對(duì)Cu2+的吸附符合Langmuir吸附等溫模型，Cu2+容易吸附在赤泥吸附劑的表面。本研究為工業(yè)固體廢物赤泥的利用及含銅廢水的處理提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的途徑。

赤泥； 含銅廢水； 吸附

赤泥是從鋁土礦中提煉氧化鋁后排出的工業(yè)固體廢物，因含氧化鐵量大而外觀呈紅色得名。赤泥的產(chǎn)量巨大而利用率卻很低以致大量堆存，已對(duì)人們的生產(chǎn)、生活造成直接或間接的影響[1]。隨著近年氧化鋁產(chǎn)業(yè)的急速發(fā)展，赤泥產(chǎn)出量急劇上升，赤泥堆存的形勢(shì)愈加嚴(yán)峻[2-3]。因此，加強(qiáng)赤泥的利用研究逐步減少赤泥的堆存量，是一個(gè)十分迫切的課題。在含銅廢水主要產(chǎn)生于銅的冶煉、加工以及電鍍等工業(yè)生產(chǎn)過程中，這種廢水排入水體中，會(huì)影響水的質(zhì)量，造成環(huán)境污染。當(dāng)水中銅含量低于0.01mg/L時(shí)，對(duì)水體自凈有明顯的抑制作用，超過3.0mg/L，會(huì)產(chǎn)生異味，超過15mg/L，就無法飲用[4]。工業(yè)含銅廢水一般含銅高達(dá)幾十mg/L，必須經(jīng)過處理才能達(dá)到環(huán)境要求[5]。

本文以某氧化鋁廠拜耳法赤泥為原料，用于含銅廢水的處理，研究不同條件下對(duì)銅的吸附效果，為赤泥的利用及含銅廢水的處理提供經(jīng)濟(jì)有效的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用原料取自山東某鋁廠拜耳法赤泥。

主要實(shí)驗(yàn)儀器：THZ-82型恒溫水浴振蕩器，KQ3200E型超聲波震蕩器，LD-4型電動(dòng)離心機(jī)，TAS-986型原子吸收分光光度計(jì)。

1.2 赤泥樣品表征

對(duì)實(shí)驗(yàn)所用赤泥原料進(jìn)行礦物相成分及粒度分析，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 赤泥樣品的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of red mud sample

圖1赤泥樣品的XRD圖譜分析表明，赤泥中主要含有赤鐵礦(Fe2O3)、鈣霞石(Na8(AlSiO4)6(CO3)2(H2O))、水化石榴石(CaAl2SiO4(OH)4)、鋁硅酸鈉(NaAlSiO4)、鈣鈦礦(CaTiO3)、石英(SiO2)、方解石(CaCO3)、一水硬鋁石(Al2O3·H2O)等。其中以赤鐵礦(Fe2O3)含量最高，其次是以Na8(AlSiO4)6(CO3)2(H2O)物相為主的鈣霞石。該赤泥樣品部分含有水合功能，整體物相的穩(wěn)定性較高，不具有火山灰活性。

圖2 赤泥樣品粒度分布Fig.2 Grain size distribution of red mud sample

由圖2粒度測定結(jié)果可知，赤泥樣品顆粒較細(xì)，粒徑95%以上集中在0.005～0.05 mm之間。可見顆粒的級(jí)配較好，并且顆粒比較細(xì)。該赤泥顆粒具有比較發(fā)達(dá)的比表面積，有較強(qiáng)的吸附能力，適合用于制備吸附劑。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

向250mL錐形瓶中加入10g赤泥和50mL蒸餾水，置于恒溫水浴振蕩器內(nèi)，40℃下振蕩10min洗去赤泥中可溶性鹽，防止廢水處理中引入新的污染。洗滌三次，過濾，烘干制得赤泥吸附劑。然后進(jìn)行赤泥吸附劑對(duì)含銅廢水的吸附實(shí)驗(yàn)及吸附等溫實(shí)驗(yàn)。利用原子吸收分光光度法測定溶液中剩余Cu2+的濃度。考察赤泥投加量、pH、吸附時(shí)間、吸附溫度等條件對(duì)吸附效果的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 赤泥投加量對(duì)Cu2+吸附效果的影響

將50mL 100mg/L的Cu2+溶液置于250mL的錐形瓶，分別投加0.05，0.1，0.15，0.20，0.25，0.30，0.35，0.4g赤泥，即吸附劑投加量為1，2，3，4，5，6g/L。溶液pH值為4，室溫下在恒溫水浴振蕩器中振蕩20min，過濾，測定Cu2+濃度并計(jì)算Cu2+去除率。結(jié)果如圖3所示。

圖3 吸附劑投加量對(duì)Cu2+去除率的影響Fig.3 The effect of dosage on Cu2+ removal rate

圖3表明，隨著吸附劑投加量的增大，Cu2+的去除率隨之增大。當(dāng)投加量達(dá)到6g/L時(shí)，去除率可達(dá)99.70%，之后隨投加量增大，去除率趨于穩(wěn)定。

2.2 溶液pH值對(duì)Cu2+吸附效果的影響

由于Cu2+在溶液中存在共沉淀作用，Cu2+的去除可能是吸附作用與共沉淀作用共同作用的結(jié)果。為了消除共沉淀作用對(duì)吸附作用的干擾，根據(jù)Cu(OH)2的Ksp=2.2×1020[6]，計(jì)算可得使Cu2+沉淀的pH值為5.57。實(shí)驗(yàn)中溶液pH值考察范圍為1～6。將50mL100mg/L的Cu2+溶液置于250mL的錐形瓶，在投加量為6g/L，反應(yīng)時(shí)間為20min的條件下，考察pH值對(duì)吸附效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 pH值對(duì)Cu2+去除率的影響Fig. 4 The effect of pH on removal efficiency Cu2+

由圖4可知，當(dāng)pH值低于2時(shí)，赤泥吸附劑對(duì)Cu2+的吸附性能較差，當(dāng)pH值高于3，吸附性能明顯提高，Cu2+能達(dá)。這是因?yàn)镃u2+的吸附是通過表面絡(luò)合反應(yīng)，即Cu2+和吸附劑表面的活性位點(diǎn)之間的靜電引力，在pH值低于2的溶液中H+濃度較高，會(huì)與Cu2+競爭吸附劑表面的活性位點(diǎn)[7]，使赤泥吸附劑對(duì)Cu2+的吸附效果較差。另外，酸性較強(qiáng)的介質(zhì)中，赤泥結(jié)構(gòu)中的Al3+和Fe3+被H+替代，只剩下硅酸鹽骨架，使赤泥結(jié)構(gòu)中空隙變大，故而不能被很好地吸附。為了消除共沉淀作用的干擾，并且Cu2+去除率從pH值大于4以后增幅不明顯，選用pH值=4為吸附反應(yīng)pH值。

2.3 吸附時(shí)間對(duì)Cu2+吸附效果的影響

將赤泥吸附劑以6g/L的投加量加入到50mL濃度為100mg/L的含銅廢水中，調(diào)節(jié)pH值=4，在恒溫水浴振蕩器中反應(yīng)，每隔5min取一次樣，過濾，測定Cu2+濃度并計(jì)算Cu2+去除率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 吸附時(shí)間對(duì)Cu2+去除率的影響Fig.5 The effect of adsorption time on removal efficiency Cu2+

圖5表明，隨著吸附時(shí)間的延長，Cu2+的去除率也隨之增加，在反應(yīng)時(shí)間達(dá)到45min時(shí)，吸附劑對(duì)銅的吸附趨于穩(wěn)定，因此，選取45min作為吸附反應(yīng)時(shí)間。

2.4 吸附溫度對(duì)Cu2+吸附效果的影響

將赤泥吸附劑以6g/L的投加量加入到50mL，pH值=4，初始濃度為100mg/L的含銅廢水中，在恒溫水浴振蕩器中分別在不同溫度下進(jìn)行吸附，吸附時(shí)間45min。過濾，測定Cu2+濃度并計(jì)算Cu2+去除率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。

圖6 吸附溫度對(duì)吸附量的影響Fig.6 The effect of temperature on adsorption

如圖 6所示，溫度變化對(duì)赤泥吸附Cu2+的去除率影響很小，在45min內(nèi)均能達(dá)到 99%以上，同時(shí)去除率隨溫度升高略有上升的趨勢(shì)，這就表明該吸附過程可能是吸熱反應(yīng)。隨著溫度的升高，Cu2+的遷移速率加快，增大了其與吸附劑表面的碰撞幾率，從而吸附效果增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)也表明赤泥吸附劑對(duì)去除Cu2+有很強(qiáng)的溫度適應(yīng)性，在10～80℃的溫度范圍內(nèi)，均能達(dá)到很好的去除效果。因此溫度不是影響吸附效率的主要因素，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，選取室溫作為反應(yīng)溫度。

2.5 赤泥等溫吸附數(shù)學(xué)模型研究

在吸附劑投加量為6g/L，pH值=4的條件下，選取不同初始濃度的銅溶液，在室溫下，恒溫水浴振蕩3h。過濾，測定Cu2+濃度并根據(jù)測定數(shù)據(jù)繪制吸附等溫回歸曲線。吸附容量的計(jì)算式為：

(1)

式中：C0為原水中Cu2+的質(zhì)量濃度，mg/L；Ct為吸附反應(yīng)t時(shí)刻Cu2+的質(zhì)量濃度，mg/L；V為原水體積，L；m為吸附劑質(zhì)量，g。

對(duì)單一組分的溶質(zhì)，其吸附等溫線有兩種形式[8]，一種是Langmuir等溫式，其表達(dá)形式為：

(2)

式中：Ce為吸附平衡時(shí)Cu2+的質(zhì)量濃度，mg/L；qe為吸附平衡時(shí)吸附劑的吸附容量，mg/g；qm為吸附劑的最大吸附容量，mg/g；kL-Langmuir常數(shù)。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以Ce/qe為縱坐標(biāo)，Ce為橫坐標(biāo)，繪制赤泥Langmuir等溫吸附回歸曲線，如圖7所示，并求得最大吸附量qm和Langmuir常數(shù)kL，見表1。

另一種是Freundlich等溫式，其表達(dá)形式為:

(3)

式中： kF為Freundlich常數(shù)；n-常數(shù)，通常認(rèn)為1/n介于0.1～0.5為容易吸附；1/n>2時(shí)難以吸附。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以logqe為縱坐標(biāo)，logCe為橫坐標(biāo)，繪制赤泥Freundlich等溫吸附回歸曲線，如圖8所示，并求得n與k值，見表1。

圖7 赤泥對(duì)Cu2+的Langmuir吸附等溫回歸線Fig.7 Langmuir isotherm of red mud on Cu2+

圖8 赤泥對(duì)Cu2+的Freundlich吸附等溫回歸線Fig.8 Freundlich isotherm of red mud on Cu2+表1 吸附Cu2+的吸附等溫常數(shù)Table 1 Values of adsorption isotherm parameters for adsorption of Cu2+

LangmuirFreundlich溫度/℃qmbR2KFnR22090．9090．1880．995611．7842．0190．7053

圖7和圖8表明，與 Freundlich 模型相比，Cu2+在赤泥表面的等溫吸附與Langmuir 模型擬合效果更好。從表 1中也可看出，Langmuir模型的決定系數(shù)R2為 0.9956，而 Freundlich 模型的R2為 0.7053，表明Cu2+在赤泥表面的等溫吸附更符合 Langmuir模型，即為單分子層吸附理論。從表1中還可以看出，n=2.019，表明Cu2+容易吸附在赤泥吸附劑的表面，最大吸附量可達(dá)90.909 mg/g。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，赤泥吸附劑對(duì)Cu2+有較好的吸附效果，在赤泥投加量為6g/L、pH值=4、室溫條件下，吸附時(shí)間45min，吸附率可達(dá)99.73%，最大吸附量可達(dá)90.909mg/g；赤泥對(duì)Cu2+的吸附符合Langmuir吸附等溫模型。本研究為工業(yè)固體廢物赤泥的利用及含銅廢水的處理提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的途徑。

[1] 南相莉, 張廷安, 劉 燕, 等. 我國主要赤泥種類及其對(duì)環(huán)境的影響[J]. 過程工程學(xué)報(bào), 2009 , 9 (s1) : 459-464.

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(本文文獻(xiàn)格式：陸愛華.赤泥對(duì)含銅廢水的吸附性能研究[J].山東化工，2017，46(14)：178-181.)

Study on Adsorption Performance of Red Mud to Copper - Containing Wastewater

LuAihua

(No.2 Middle School, Liaocheng, Shandong 252000, China)

Red mud is the solid waste produced by the alumina industry, which has good absorption property due to its large specific surface area. In this paper, red mud is used for the adsorption of copper-containing wastewater, and the adsorption conditions are studied. The experimental results show that the adsorption rate of the red mud adsorbent is up to 90.73% and the adsorption capacity is up to 90.9mg/g at room temperature under the condition of pH=4, dosage of 6g/L and adsorption time of 50min. The isothermal adsorption model is studied, the results show that the adsorption of Cu2+ on red mud is corresponding with the Langmuir adsorption isotherm model，and Cu2+is easily adsorbed by red mud. This study provides an economic and effective way of industrial solid wastes using and wastewater containing copper treatment.

red mud;copper-containing wastewater; absorption property

2017-05-09

陸愛華(1974—)，女，山東聊城人，中學(xué)一級(jí)教師，大學(xué)本科，主要從事化學(xué)教育及固體廢物的綜合利用方面的研究。

TG146.4+51

A

1008-021X(2017)14-0178-04