La/Fe粉煤灰吸附剂的制备及其对水体中活性染料的吸附性能研究

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针对目前我国水污染日趋严重的现状,为充分开发利用内蒙古自治区产量巨大的固体废物粉煤灰和丰富的稀土资源,发挥地区优势和特色,本文根据粉煤灰(FA)的组成及结构特征,通过添加铁元素及少量稀土元素采用操作简便的水热反应法制备出对水体中活性染料具有廉价、高效、大容量吸附的La/Fe/粉煤灰吸附剂(La/Fe/FA),确定了最佳制备工艺条件,并就其结构性能进行了表征,同时探讨了La/Fe/FA吸附剂对模拟废水中的活性翠蓝KN-G(RTB KN-G)、活性艳红KD-8B(RBRKD-8B)、活性艳兰KN-R(RBB KN-R)和活性艳红X-3B(RBR X-3B)四种活性染料的吸附性能,考察了其影响因素,对吸附动力学、吸附热力学、重金属浸溶、吸附机理等进行了研究,具体结果如下:(1)通过实验研究获得了La/Fe/FA吸附剂制备的最佳条件,即:当La与Fe的摩尔比为1:1,在80℃下反应9h,并常温静置12h,由此制得的La/Fe/FA吸附剂在投加量为20g/L时,对浓度分别为1000mg/L、2500mg/L、1600mg/L、350mg/L的RTB KN-G、RBR KD-8B、RBB KN-R和RBR X-3B四种活性染料废水的去除率均在90%以上,显示出了该吸附剂对水体中活性染料具有比较强的吸附去除能力。(2)探讨了La/Fe/FA吸附剂对RTB KN-G、RBR KD-8B、RBB KN-R和RBR X-3B四种活性染料的吸附性能及其影响因素,结果表明:溶液初始pH值、温度和接触时间是影响La/Fe/FA吸附剂吸附去除四种活性染料的重要因素,当溶液初始pH值为6.0,在298K下搅拌120min时,得到所制备的La/Fe/FA吸附剂对浓度分别为1200mg/L、2550mg/L、2000mg/L、400mg/L四种活性染料即RTB KN-G、RBR KD-8B、RBB KN-R和RBR X-3B废水的吸附量分别可达到40.73mg/g、91.08mg/g、69.43mg/g和14.36mg/g。La/Fe/FA吸附剂对四种活性染料的去除率随初始染料浓度的增大而逐渐减小(染料初始浓度的变化范围分别为7002200mg/L、25506150mg/L、4003600mg/L和4002800mg/L)。与原灰相比,相应的吸附量分别增大了2.5、2.5、2和2倍。(3)吸附动力学研究表明,La/Fe/FA吸附剂对RTB KN-G、RBRKD-8B、RBB KN-R和RBR X-3B四种活性染料均有较快的吸附速率,且约在30min即可达到基本吸附平衡,且不同温度下所获得的吸附动力学曲线具有相同的变化趋势,但在相同时间段内,吸附量随温度的升高而降低,随浓度的增加而明显增大,表明升温不利于吸附的进行,且在不同温度(298K、308K、318K和328K)下La/Fe/FA吸附剂对四种活性染料的动力学吸附过程可以用拟二级吸附速率方程进行很好地描述(R2>0.999),吸附主要受颗粒内扩散控制,获得了一些重要的吸附动力学参数如平衡吸附量、吸附速率常数和扩散速率常数等,同时得到了La/Fe/FA吸附剂对四种活性染料的吸附活化能Ea分别为4.296、14.784、8.111和6.371kJ/mol,说明该过程主要通过物理吸附来完成。(4)等温吸附研究表明:在不同温度(298K、308K、318K和328K)下La/Fe/FA吸附剂对RTB KN-G、RBR KD-8B、RBB KN-R和RBR X-3B四种活性染料的等温吸附实验数据均符合Langmuir等温吸附模型(R2>0.99),并由此获得了该吸附剂对四种活性染料在不同温度(298K328K)下的饱和吸附量分别在44.8436.36mg/g、129.87114.94mg/g、90.9175.19mg/g和43.2929.24mg/g之间,吸附系数b值均随温度升高而减小,吸附量也均相应减小,说明吸附过程是放热过程;同时吸附过程也较好地服从Freundlich等温吸附模型(R2>0.93),且由此所得的1/n值和平衡常数RL的数值均表明该吸附均易于进行。吸附热力学研究表明:通过实验和计算所得La/Fe/FA吸附剂在不同温度(298K328K)下对RBR KD-8B、RBB KN-R和RBR X-3B三种活性染料的热力学常数△G分别在-29.14-29.78kJ/mol、-23.17-25.14kJ/mol和-20.34-21.84kJ/mol之间,△H分别为-22.82、-3.35和-5.51kJ/mol,△S分别为0.0212、0.0665和0.0499J/mol/K,表明该吸附剂对三种活性染料的吸附过程是自发进行的放热过程,且有序性降低,吸附过程以物理吸附为主,同时也伴有化学吸附的共同作用。(5)重金属浸出实验结果表明,La/Fe/FA吸附剂中的Cd2+、Cu2+、Zn2+等7种重金属离子在pH值分别为2.64、7.0和9.0时的浸出值均低于国家地表水环境质量标准(GB3838-2002),由此表明该吸附剂用于处理活性染料废水安全可行。(6)通过对La/Fe/FA吸附剂进行成分分析、表面结构分析、XRD、SEM、FT-IR及表面酸碱特性分析等表征,并结合热力学、动力学研究结果对La/Fe/FA吸附剂去除RTB KN-G、RBR KD-8B、RBB KN-R和RBRX-3B的机理进行了初步探讨,结果表明吸附剂对四种活性染料的吸附主要以物理吸附为主。由上述实验结果表明,制备所得La/Fe/FA吸附剂若能进一步推广应用于活性染料废水甚至是高浓度染料废水的处理,将有很大的发展潜力和市场应用前景,再与其它净水技术相结合,会使染料废水能得到很好地循环利用。
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