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在工业化制造、科学研究等过程中产生的剧毒重金属Cr(Ⅵ)废水通过各种途径进入人类的生存环境,严重危害动植物以及人类自身的安全性。随着国家对重金属排放标准的提高,人们对Cr(Ⅵ)污染日渐重视,因此找到一种合适的去除Cr(Ⅵ)的方法变得尤为重要。目前去除Cr(Ⅵ)方法众多,包括吸附法、膜分离法、离子交换法等。膨润土因具有资源丰富、价格低廉、吸附效果良好等优势,因此被广泛应用于污废水的吸附治理,然而由于膨润土的悬浮性和负电性,其对呈负电性的Cr(Ⅵ)吸附效果并不理想,这使得通过改性膨润土来提高其对Cr(Ⅵ)污染物的吸附效果成为研究热点。现研究发现,通过化学改性可以改变膨润土的理化性质,提高对重金属Cr(Ⅵ)的吸附效果。
为了提高膨润土对水中Cr(Ⅵ)的吸附性能。本研究首先分别使用氢氧化钠、聚合氯化铝对膨润土进行改性,通过响应面法得到对Cr(Ⅵ)吸附量最佳时的碱改性膨润土(B-NaOH)、铝改性膨润土(B-PAC)。再将该两种材料进行壳化处理,通过土质量与壳聚糖溶液体积比例优化,得到对Cr(Ⅵ)吸附效果最佳的壳化碱改性膨润土(B-NaOH-CS)、壳化铝改性膨润土(B-PAC-CS),后通过结构表征与吸附效果对比,筛选得到对Cr(Ⅵ)吸附效果较好的两种材料,并以此为吸附剂,研究它们对废水中Cr(Ⅵ)的吸附特性。
本研究得到以下结果:
(1)对铬吸附最佳时,B-NaOH与B-CS的制备条件范围,B-NaOH:B-NaOH浓度(5%~15%)、温度(50℃~100℃)、时间(3~7h);B-PAC:聚合氯化铝浓度(10%~20%)、温度(25℃~75℃)、时间(3~7h);通过响应面优化法得到对Cr(Ⅵ)吸附量最佳时B-NaOH、B-PAC的制备条件:B-NaOH:氢氧化钠浓度为10%、反应温度为55℃、反应时间为6h,此条件下制备的B-NaOH对Cr(Ⅵ)的吸附量为0.751mg?g-1;B-PAC:聚合氯化铝浓度为15%、反应温度为43℃、反应时间为5h,此条件下制备的B-PAC对Cr(Ⅵ)吸附量为1.319mg?g-1。对改性膨润土壳化处理时,以B-CS为空白对照,得到对Cr(Ⅵ)吸附能力最佳时,土质量与壳聚糖溶液体积(M/V)的最佳壳化比例,结果显示:当壳聚糖溶液浓度为0.01g?mL-1,随土质量与壳聚糖溶液体积比(M/V)逐渐增加,对Cr(Ⅵ)吸附量均为先增加后减少,且在M/V=0.5时,壳化效果最佳。此时B-CS、B-NaOH-CS、B-PAC-CS对Cr(Ⅵ)吸附量分别为0.89、1.03、1.82mg?g-1。
(2)将各吸附材料进行BET、SEM、FTIR、XRD结构表征,表明:吸附剂对Cr(Ⅵ)吸附效果与其比表面积、孔隙结构、壳聚糖质子化作用等因素有关。改性膨润土比表面积越大、剥离的单晶片越薄、孔隙结构越丰富、壳聚糖质子化越强,改性膨润土对Cr(Ⅵ)的吸附效果越强。
(3)在研究改性膨润土对Cr(Ⅵ)吸附效果中,温度为25℃,pH=5.0,吸附剂投加量为15g?L-1,各吸附材料对Cr(Ⅵ)吸附量随Cr(Ⅵ)浓度(25、45、65、8 5、105、125 mg?L-1)增大逐渐增大,B、B-NaOH、B-CS、B-PAC、B-NaOH-CS、B-PAC-CS对Cr(Ⅵ)的吸附能力逐渐增强,达到平衡时,吸附量分别为0.75、0.89、1.43、1.61、1.82、2.69mg?g-1,且通过试验观察,各吸附材料在水溶液中不呈漂浮状态,均可自行沉淀,易与水体分离。
(4)在吸附动力学研究中,随时间增加,B-NaOH-CS与B-PAC-CS对Cr(Ⅵ)((50mg?L-1、20mL、pH=5)呈现先快速增加后逐渐缓慢的趋势,就平衡吸附量而言,B-PAC-CS(1.83mg?g-1)大于B-NaOH-CS(1.04 mg?g-1),使用准二级动力学模型描述该两种吸附材料对铬动力学过程优于准一级动力学模型。
(5)在热力学研究中,B-NaOH-CS与B-PAC-CS对Cr(Ⅵ)的吸附量随温度(288~308K)和Cr(Ⅵ)浓度(25.0~125.0mg?L-1)增加而增加,相同温度条件下,B-PAC-CS对Cr(Ⅵ)吸附效果明显优于B-NaOH-CS。用Langmuir等温模型描述其对Cr(Ⅵ)的吸附热力学过程优于Freundlich等温模型,无量纲化分离因子0 (6)在影响因素试验中,随pH(3.0~11.0)增大,B-NaOH-CS对Cr(Ⅵ)((50mg?L-1、20mL)吸附量逐渐减小,当pH=3.0时吸附效果最好;B-PAC-CS对Cr(Ⅵ)先增加后减少,当pH=7.0时,吸附能力最好。在研究不同还原剂种类对Cr(Ⅵ)去除率的影响中,结果显示添加相同量还原剂,亚硫酸钠对Cr(Ⅵ)的去除效果强于亚硝酸钠。
为了提高膨润土对水中Cr(Ⅵ)的吸附性能。本研究首先分别使用氢氧化钠、聚合氯化铝对膨润土进行改性,通过响应面法得到对Cr(Ⅵ)吸附量最佳时的碱改性膨润土(B-NaOH)、铝改性膨润土(B-PAC)。再将该两种材料进行壳化处理,通过土质量与壳聚糖溶液体积比例优化,得到对Cr(Ⅵ)吸附效果最佳的壳化碱改性膨润土(B-NaOH-CS)、壳化铝改性膨润土(B-PAC-CS),后通过结构表征与吸附效果对比,筛选得到对Cr(Ⅵ)吸附效果较好的两种材料,并以此为吸附剂,研究它们对废水中Cr(Ⅵ)的吸附特性。
本研究得到以下结果:
(1)对铬吸附最佳时,B-NaOH与B-CS的制备条件范围,B-NaOH:B-NaOH浓度(5%~15%)、温度(50℃~100℃)、时间(3~7h);B-PAC:聚合氯化铝浓度(10%~20%)、温度(25℃~75℃)、时间(3~7h);通过响应面优化法得到对Cr(Ⅵ)吸附量最佳时B-NaOH、B-PAC的制备条件:B-NaOH:氢氧化钠浓度为10%、反应温度为55℃、反应时间为6h,此条件下制备的B-NaOH对Cr(Ⅵ)的吸附量为0.751mg?g-1;B-PAC:聚合氯化铝浓度为15%、反应温度为43℃、反应时间为5h,此条件下制备的B-PAC对Cr(Ⅵ)吸附量为1.319mg?g-1。对改性膨润土壳化处理时,以B-CS为空白对照,得到对Cr(Ⅵ)吸附能力最佳时,土质量与壳聚糖溶液体积(M/V)的最佳壳化比例,结果显示:当壳聚糖溶液浓度为0.01g?mL-1,随土质量与壳聚糖溶液体积比(M/V)逐渐增加,对Cr(Ⅵ)吸附量均为先增加后减少,且在M/V=0.5时,壳化效果最佳。此时B-CS、B-NaOH-CS、B-PAC-CS对Cr(Ⅵ)吸附量分别为0.89、1.03、1.82mg?g-1。
(2)将各吸附材料进行BET、SEM、FTIR、XRD结构表征,表明:吸附剂对Cr(Ⅵ)吸附效果与其比表面积、孔隙结构、壳聚糖质子化作用等因素有关。改性膨润土比表面积越大、剥离的单晶片越薄、孔隙结构越丰富、壳聚糖质子化越强,改性膨润土对Cr(Ⅵ)的吸附效果越强。
(3)在研究改性膨润土对Cr(Ⅵ)吸附效果中,温度为25℃,pH=5.0,吸附剂投加量为15g?L-1,各吸附材料对Cr(Ⅵ)吸附量随Cr(Ⅵ)浓度(25、45、65、8 5、105、125 mg?L-1)增大逐渐增大,B、B-NaOH、B-CS、B-PAC、B-NaOH-CS、B-PAC-CS对Cr(Ⅵ)的吸附能力逐渐增强,达到平衡时,吸附量分别为0.75、0.89、1.43、1.61、1.82、2.69mg?g-1,且通过试验观察,各吸附材料在水溶液中不呈漂浮状态,均可自行沉淀,易与水体分离。
(4)在吸附动力学研究中,随时间增加,B-NaOH-CS与B-PAC-CS对Cr(Ⅵ)((50mg?L-1、20mL、pH=5)呈现先快速增加后逐渐缓慢的趋势,就平衡吸附量而言,B-PAC-CS(1.83mg?g-1)大于B-NaOH-CS(1.04 mg?g-1),使用准二级动力学模型描述该两种吸附材料对铬动力学过程优于准一级动力学模型。
(5)在热力学研究中,B-NaOH-CS与B-PAC-CS对Cr(Ⅵ)的吸附量随温度(288~308K)和Cr(Ⅵ)浓度(25.0~125.0mg?L-1)增加而增加,相同温度条件下,B-PAC-CS对Cr(Ⅵ)吸附效果明显优于B-NaOH-CS。用Langmuir等温模型描述其对Cr(Ⅵ)的吸附热力学过程优于Freundlich等温模型,无量纲化分离因子0