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吸附法是一种有效的处理含重金属废水的方法,但目前存在的问题是吸附剂成本过高。本研究试图寻找一种低成本高效率的重金属吸附剂,解决其成本过高的问题。
本研究以湖南省某矿山的三种低品位矿物(记做1#、2#和3#,其中1#为锰矿,2#和3#为矾矿)为研究对象,利用各种方法进行表征并测定其吸附容量。红外分析和XRD分析结果显示1#矿物的主要成份为菱锰矿和石英并具有较多的杂质,2#、3#矿物的主要成份为白云母和石英。三种矿物对铜、铅、铬、镉、镍五种金属阳离子的吸附能力的顺序为3#>2#>1#。3#吸附效果最好的原因是其比表面较大,具有丰富的可交换离子,等电点较低,对阳离子有较大的亲和力。3#矿物的吸附性能优良并具有提升潜质,选择3#矿物进行后续吸附实验。
选定的矿物为吸附剂,研究了其对五种金属阳离子Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)的吸附特性。动力学研究的结果显示吸附可以在60分钟内可达到平衡,并且吸附过程可以由二次反应方程拟合。随着吸附剂投加量的增加,总得吸附量上升但是单位质量的吸附量有所下降,而吸附剂粒径大小对吸附效果影响不大。吸附等温线可以用Frendlich吸附等温方程拟合。对五种金属阳离子的最大吸附量顺序为Cr(Ⅲ》Pb(Ⅱ》Cu(Ⅱ)>Ni(Ⅱ)>Cd(Ⅱ)。吸附热力学研究显示这个吸附过程焓变为正,是吸热反应;熵变为正则说明反应中有分离过程发生;吉布斯自由能变化为正而且绝对值较小,说明该反应需要一定的外加能量才能完成。吸附过程受外加电解质溶液浓度的影响不大而受pH值的影响很大,最可能的吸附机理是金属阳离子和矿物表面硅醇基和铝醇基的内层络合。
为了进一步提高此种矿物对重金属的吸附能力,我们采用了几种方法进行改性。我们采用HCl改性试图提高其比表面,增多孔道以及孔容积;用己二胺和3-胺丙基三乙氧基硅烷(3-APT)改性则是希望能在其表面枝接胺基以提高吸附能力。改性之后的产物通过元素分析、红外等方法进行了研究,并铜离子为代表研究了其对重金属离子子的吸附能力。改性产物对铜离子的吸附量随着pH的上升而上升,动力学曲线适合用二次方程拟合,吸附等温线适合用Langmiur方程拟合。3-APT改性的产物效果最好,吸附能力提升到原来的4.8倍,而盐酸和己二胺改性产物的吸附能力则提高到原来的2-3倍。热力学实验证明各种吸附剂对铜离子的吸附都是吸热反应。吉布斯自由能变化由改性前的正值变为负值。
总得来说,此种矿物对溶液中重金属离子具有一定的吸附能力,并且经过改性之后吸附能力有所提升,具有工程应用处理含重金属废水的潜力,同时也提供了一个尾矿综合利用的途径。