AMD污泥复合材料的制备及其吸附As(Ⅴ)和Pb(Ⅱ)机理研究

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污泥基吸附剂由于其具有回收利用和来源范围广、成本低等特点被广泛应用于各类污水的治理。砷和铅是在水溶液中分别以阴离子和阳离子形式存在的典型类金属和重金属,他们的毒性往往高于一些其他金属元素,且随着目前煤矿、铅锌矿的开采,会造成一系列环境问题。因此,本研究结合酸性矿山废水(AMD)污泥具有大量Fe、Ca和Mn基矿物、高比表面积和多吸附位点等特点,采用物理改性法将AMD污泥还原制备得到含金属氧化物和金属单质的复合材料去吸附砷和铅,通过材料筛选实验,As(V)、Pb(II)吸附特性实验和吸附影响因素实验等看材料的吸附性能,并通过多种表征手段(SEM-EDS、FT-IR、BET、XRD、XPS)探究材料吸附As(V)、Pb(II)的吸附机理,最后将材料制备成颗粒状,以研究连续流装置应用情况下重金属的去除情况和材料的性能变化。研究结果如下:(1)对AMD污泥、玉米秸秆和膨润土按照不同原料比例(2:1:1、1:1:1和1:2:1)和不同煅烧温度(700℃、800℃和900℃)制备出5种复合吸附材料,经XRD表征发现材料表面均有一定的小颗粒物生成,主要是AMD污泥中的针铁矿、纤铁矿等转化成零价铁、四氧化三铁、三氧化二铁等铁氧化物颗粒。5种复合材料吸附As(V)和Pb(II)的预实验结果表明,材料B(900℃2:1:1)的吸附效果优于其他4种材料。(2)材料B对As(V)的吸附符合准二级动力学方程,吸附等温过程符合Freundlich模型,吸附属于多层吸附,其最大吸附容量为164.5 mg·g-1;在低p H值时更有利于As(V)的吸附,竞争离子对材料吸附As(V)的影响很小;而原始AMD污泥对As(V)的吸附量仅为37.05 mg·g-1。材料B对Pb的吸附动力学符合Elovich方程,吸附等温线规律性相对较差,吸附行为受p H影响较大,随p H增高而增高,在p H=6时吸附量达到最大值(77.3 mg·g-1),离子竞争看出Na+,Zn2+对吸附过程有干扰,Mg2+则表现出促进作用;而AMD污泥吸附Pb2+的效果较好,其吸附过程符合拟二级动力学,吸附等温符合Langmuir模型,属于表面吸附,最大吸附量达166.7 mg·g-1;吸附影响因素中AMD污泥受p H影响较小。(3)材料B吸附As(V)的主要作用机制为静电吸引、含氧官能团的络合作用、铁氧化层的吸附和Fe~0释放出Fe2+/Fe3+形成Fe(OH)2/Fe(OH)3与砷酸盐共沉淀等,且吸附过程主要以化学吸附为主。材料B吸附Pb2+前后会引起羟基、羧基的振动峰变化,看出络合作用是吸附Pb的主要机制,但反应量相对较少。AMD污泥吸附去除Pb2+的主要作用机理为Pb CO3沉淀、羟基和羧基等官能团对Pb2+的络合反应;AMD污泥对As(V)也主要以官能团络合为主,但其对As(V)亲活力较低。(4)连续流柱实验(流速2~3m L/min,材料投加量10g)结果表明,颗粒材料对低浓度As(V)(1 mg·L-1)有较高的去除效率,运行20 h去除率为80%,运行12d去除效率仍保持在60%以上;颗粒材料对高浓度As(V)(10 mg·L-1)去除效果相对较差,材料有效吸附时间较短。复合材料颗粒化后对As(V)的吸附容量降低。
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