煤系高岭土改性制备复合陶粒吸附剂及其对废水中Cr(Ⅵ)的吸附性能研究

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近年来,随着工业持续向前推进,环境中的铬离子含量超标问题越来越显著。煤系高岭土又称高岭石质煤矸石,是煤系地层中的伴生矿物,作为主要的固体废弃物之一,其资源化和高附加值利用越来越引起人们的重视。如何实现“以废治废”,进而还人们一片青山绿水,成为很多科研工作者关注的话题。本文从研究煤系高岭土的偏高岭化入手,对偏高岭煅烧温度制度进行细分优化,并引入消石灰作为偏高岭土活性激发剂,通过比较煤系高岭土生料与偏高岭土、改性高岭土对废水中重金属离子的去除效果,探究煤系高岭土的最佳改性条件。进一步调整配方,加入碳粉作为偏高岭土基陶粒的造孔剂,从而优化陶粒内部孔结构,掺入适量高岭土熟料作为骨架,最后成功制备出一种吸附效果良好,强度较高的陶粒,解决了粉状高岭土吸附重金属后难以回收利用的问题,为固体废弃物煤系高岭土拓宽了应用途径。研究表明:(1)煤系高岭土在箱式炉中经过800℃煅烧可制备出高比表面积偏高岭土,XRD与SEM分析结果表明,此时的煅烧产物处于非晶态,其内部有序结构遭到破坏,孔隙大大增加。进一步细化煅烧制度可得,经过3 h升温到800℃,保温3 h,4 h降温到300℃煅烧后的高岭土活性最佳,对Cr(Ⅵ)吸附效果最好。(2)偏高岭土对Cr(Ⅵ)的吸附性能实验中,pH值小于6时吸附性能更好,在体系中引入Ni(Ⅱ)形成竞争状态不利于对Cr(Ⅵ)的吸附,加入NaCl溶液能促进对Cr(Ⅵ)的去除。(3)高岭土与消石灰按照质量比2.5:1混合煅烧后形成的复合吸附剂对Cr(Ⅵ)吸附性能最好。Zeta电位与FTIR等分析结果表明,消石灰掺入高岭土中使其表面电性由负转正,促进了与铬酸根的结合。同时,该含钙化合物作为钙源掺入高岭土中提高了体系的钙硅摩尔比,在增钙煅烧条件下,改变了高岭土内部的基团特征,产生了代表Si-O-Si或O-Si-O伸缩振动的新的特征峰,进一步激发了高岭土内部的硅铝活性。(4)按照74 wt%高岭土复合吸附剂与11 wt%碳粉、15 wt%高岭土熟料配比制得的陶粒性能最好。在40℃,溶液pH为4,初始浓度为180 mg/L,投加量为16 g/L,吸附时间240 min条件下,高岭土基陶粒吸附剂对Cr(Ⅵ)的吸附量最大,达到7.58 mg/g。(5)陶粒对Cr(Ⅵ)的吸附是吸热反应,可以自发进行,准二级动力学模型和Freundlich等温线模型对该反应过程可以实现很好的拟合。拟合结果表明,该吸附过程容易发生,主要受化学吸附机理控制,升温促进反应进行。(6)NaOH溶液对陶粒的解吸效果最好,原因是陶粒对OH-与Cr2O72-之间的竞争吸附,同时OH-提供的碱性环境抑制了陶粒的吸附性能。室温条件下用0.1 mol/L NaOH溶液对吸附后的陶粒解吸1 h,经过7次吸附-解吸循环,陶粒对废水中Cr(Ⅵ)的去除性能仍然保持在95%以上,而陶粒的质量损失小于3%。通过解吸,一方面实现了对陶粒的回收利用,另一方面可对重金属Cr(Ⅵ)进行富集和回收,解决难以对其高效利用的问题。
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