硅藻土基多孔陶粒的制备及其对Cu^(2+)的吸附机制研究.pdf

开发与研究王丽芳黄健平陈泓烨等.硅藻土基多孔陶粒的制备及其对 的吸附机制研究.河南化工():.硅藻土基多孔陶粒的制备及其对 的吸附机制研究王丽芳 黄健平 陈泓烨 任 轲 高如琴(华北水利水电大学 环境与市政工程学院 河南 郑州)摘要:以硅藻土为主要原料采用湿式研磨和高温煅烧工艺制备了硅藻土基多孔陶粒结合 、等现代检测手段对材料的结构和性能进行表征 以水体中 为目标污染物进行了吸附去除研究 结果表明:硅藻土基多孔陶粒内部有大量硅藻土原始孔结构、成孔剂煅烧留下的孔洞以及颗粒堆积形成的空隙构成了三维孔结构 陶粒的孔径分布 比表面积./孔隙率约.溶液中 与陶粒表面及孔道的羟基型表面功能基通过静电作用形成配位体通过羟基的氢与 发生交换反应使 得以去除关键词:硅藻土 多孔陶粒 吸附机制中图分类号:文献标识码:文章编号:()():./.:随着工业和农业生产的高速发展废水的排放量逐年增长包含许多影响人和动物的有毒物质其中采矿、冶金、电镀、电子等行业产生的重金属废水成为污染环境的主要污染源在整个废水排放中重金属废水占到 铜广泛存在于工业废水中如机器制造、冶炼、有机合成、金属加工等行业其中每升废水含铜量最高可达几十至几百毫克当过量的铜进入人体后如肝、肾、脑等体内重要的脏器沉积过量的铜会出现威尔逊症 过剩的铜损坏血红蛋白损伤细胞膜一些酶的活性会受到抑制机体的正常代谢便会受到影响导致心血管系统疾病 采用的处理方法主要有物理化学法、化学法和生物处理法等 而吸附法处理 废水具有设备简单、操作容易、效果稳定而且不会产生二 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:王丽芳()女硕士在读研究方向为生态环境材料的制备应用以及机制研究 :.通信作者:高如琴()女博士教授研究方向为生态环境材料的制备应用以及机制研究 :.河南化工 年 第 卷次污染等优点被广泛采用硅藻土是一种由硅藻的遗骸所组成、生物成因的硅质沉积岩本身具有 的孔洞具有比表面积大、吸附性好等优点 利用硅藻土原始孔结构带来的优良吸附性能目前在水处理工艺中得到了广泛的应用 但是在实际运用中硅藻土粉料存在着很难实现动态吸附易造成阻塞使吸附无法进行 本研究结合高温煅烧工艺通过对烧结助剂、造孔剂选择制备了吸附性能优良的硅藻土基多孔陶粒用于对废水中 的吸附并探讨了对 的吸附机制 实验.主要原料与试剂硅藻土由吉林省临江市美诗顿粉体材料有限公司提供粉体中位粒径为.比表面积()为./为实现低温烧结加入烧结助剂(石英、长石、高岭土)、黏结剂(聚乙烯醇)、分散剂(硅酸钠)以及成孔剂(碳粉)以上物料均为工业纯.样品制备取料 将硅藻土、烧结助剂、成孔剂与分散剂按一定的比例称量后混合(质量比为 )加入氧化锆球在高效快速研磨机里研磨(料 球 水 .)过滤后电热鼓风恒温干燥箱烘干粉碎加水在滚球机中成型并煅烧.样品表征采用美国 公司 /综合热分析仪对材料进行 热分析日本电子株式会计()扫描电子显微镜分析样品的微观结构及组织形貌等美国康塔公司 压汞仪分析样品的孔结构 型(德国 光谱仪器公司)红外光谱仪对样品进行定性分析.多孔陶粒对 吸附实验室温条件下向 浓度均为 /的铜离子溶液中投放一定量陶粒吸附剂吸附剂用量分别为、/放入恒温摇床中振荡 后取出通过微孔滤膜过滤加入显色剂在 水浴中加热 取出冷至室温以纯水为参比用 比色皿(铜离子的测定采用双 乙 醛 草 酰 二 腙 分 光 光 度 法)采 用 美 国 公司分光光度计采用双乙醛草酰二腙分光光度法测量溶液最大波长处()的吸光度测量完毕后将样品倒入反应器中 根据朗百 比尔定律用吸光度计算溶液脱色率 其中:为溶液的脱色率为 溶液的初始吸光度 为吸附 后溶液的吸光度 结果与讨论.样品 分析图 为硅藻土级多孔陶粒的 曲线图 硅藻土基多孔陶粒的差热()及热重()图由图 可以看出硅藻土多孔陶粒坯体受热从室温到 大致为两个阶段 第一阶段从室温到 为预热脱水阶段在此过程中坯体脱除表面和毛细管的水分外还脱除了结构水和部分有机物失重率达到.在 时有一个明显的放热峰为碳粉在此温度下燃烧所致 第二阶段(有氧)有机物被氧化成 和 排除使部分物质的结晶水脱除因此结果属于放热 它的放热结果和有机物的含量有关.样品的微观形貌图 为陶粒的 图图 陶粒扫描电镜图从图 可以看出硅藻土陶粒基本上保持了硅藻土原始孔结构颗粒上面分布着均匀细小的微孔其孔径为 硅藻土原始孔结构、成孔剂煅烧后留下的孔洞以及颗粒堆积形成的空隙构成了三维孔结构的有机整体 其内部硅藻土的表面有许第 期 王丽芳等:硅藻土基多孔陶粒的制备及其对 的吸附机制研究多细小的孔洞 取高倍镜放大观察后其空洞更加明显且硅藻土与其周围的骨料之间存在一定的空隙 可见陶粒内部硅藻土孔洞以及骨料堆积所形成的空隙可能是吸附的场所根据研究单分子层吸附主要发生于微孔吸附中且具有可逆的过程 由于重金属离子在水溶液中以水合离子的形式存在且其大小一般都小于微孔的直径所以一部分水合离子就进入到陶粒表面的微孔中这样就吸附了一定量的重金属.孔结构特征图 为硅藻土基多孔陶粒的孔径分布曲线图 硅藻土基多孔陶瓷的孔径分布由图 可以看出硅藻土基多孔陶粒的孔径分布主要集中在 此范围内其孔隙率为.比表面积为./平均孔径为.所制得的硅藻土基多孔陶粒的孔径分布较宽比表面积较大孔隙率较高与图 观察到的结果一致.图 为硅藻土基多孔陶粒的红外光谱图图 陶粒的红外光谱图由图 可看出陶粒表面仍然含有 基团吸收峰(.处)键的反对称伸缩振动峰(.处)键的对称伸缩振动吸收峰(.处)反对称弯曲振动(.处).陶粒对水体中 的吸附及吸附机制.硅藻土基多孔陶粒对 吸附硅藻土基多孔陶粒对 吸附去除率与吸附量结果见图 图 吸附剂浓度与 吸附效果关系由图 可以看出铜离子的去除率随着陶粒用量的增加而增大但单位吸附量却逐渐减少 这是因为吸附剂的增加提供了更多的吸附位去除率明显增加但去除率的进一步增大会导致铜离子的浓度减小解吸附力增大单位吸附剂上的铜离子量减小因此增大吸附剂的用量单位吸附剂的吸附量也就会相应减小 当陶粒用量达到 /后去除率达到.进一步增加吸附剂铜离子的去除率不再改变 这主要因为随着吸附量的增加金属离子产生的斥力增强游离金属离子进一步深入微孔内部的阻力增大吸附与解吸达到相对平衡.硅藻土基多孔陶粒对 的吸附机制.红外光谱分析及表面配位反应由图 可知陶粒表面具有一定数量的羟基基团、键和 键这些基团都存在有较高活性的不饱和键其中羟基基团 易与溶液中的重金属离子发生沉淀反应或者通过离子键将重金属固着在陶粒表面不仅控制着表面活性、表面电荷、溶解性和亲疏水性等表面性质还是配位(络合)交换反应的反应位溶液中重金属离子与羟基型表面功能基通过静电作用形成配位体即为重金属离子的表面配位反应 由表面络合模式可知重金属离子在颗粒表面的吸附作用反应了一种络合形式 对表面络合反应影响较大的是溶液的 值与此前结论相符和 值对吸附作用的影响比较大 陶粒吸附重金属时在中、碱性和弱酸性溶液中其对重金属离子具有一定的去除效果即 和两种基团可能存在于陶粒的表面所以陶粒表面羟基基团与重金河南化工 年 第 卷属离子之间发生的表面络合反应可归纳为重金属离子先水解然后夺取陶粒表面的羟基形成羟基配合物而被吸附反应式为:()()()()()()()吸附并在表面上水解通过重金属离子同配位体的强络合生成稳定的表面化合物或形成氢键使重金属被微粒吸附反应式为:()()()().离子交换反应由红外光谱分析可知陶粒表面含有一定量的羟基基团陶粒通过羟基的氢与溶液中重金属离子(阳)可以发生交换反应使重金属离子得以吸附()()()()另外由 能谱分析可知吸附后的谱图中没有出现 、而且 、的含量也有所减少由之前的.、.分别减小为.、.分析原因可能是 扩散到陶粒表面可交换离子 、等从陶粒内部孔隙扩散到交换点与 进行离子交换然后被交换的 、等进入溶液中 由于离子交换属于阳离子间的相互交换故受 值影响较大这也在另一方面解释了酸性溶液中吸附效果较差的原因在实际吸附过程中共同存在着多种吸附作用尤其是化学吸附和物理吸附作用只是由于具体吸附条件的不同如不同的吸附剂、吸附质以及温度等占主导地位的可能是一种吸附作用 综上可得陶粒吸附 的主要步骤大致为:先存在于陶粒固液界面中然后又以一定方式附着到陶粒表面进而进入到陶粒微孔中最后与活性位置结合 几种吸附机制同时存在于吸附过程中相互协同 结论研究制备的硅藻土基多孔陶粒内部存在着大量微孔孔径范围主要在 孔隙率约.具有较大的比表面积 陶粒表面具有大量的羟基基团、键和 键等不饱和键对污染物具有良好的吸附性能 的去除率可以达到.这是因为硅藻土本身的纳米孔结构以及骨料之间堆积形成的孔隙为吸附进行的主要场所 陶粒吸附完后表面以一定形式结合了一定量的 而其硅羟基是吸附的主要基团主要发生表面络合反应以及一定量的离子交换反应参考文献:吴财松吴建辉李健昌等.多效一体化澄清设备在含铜废水资源回收及深度处理中的应用.科学技术创新:.李博文杨桂锦.重金属废水处理技术研究进展.中国资源综合利用():.:.:.伍昌艳.浅谈含重金属废水处理技术.建筑工程技术与设计():.()():.():.():.赵振国.吸附作用应用原理.北京:化学工业出版社./.:.卢龙雷良城林锦富等.矿物表面特征和表面反应的研究现状及其应用.桂林工学院学报():.苏会东姜承志张丽芳.水污染控制工程.北京:中国建材工业出版社.第 期 王丽芳等:硅藻土基多孔陶粒的制备及其对 的吸附机制研究