微波吸附法去除重金属离子的实验研究

微波吸附法去除重金属离子的实验研究

1实验部分1.1全尾砂lv-双环[3.2.3]分析ph-25ph计（上海胜磁仪有限公司）、wmx-a微波锁状分析仪（韶关广志科技设备有限公司）、w象征意义-110a原子吸收光度计（北京瑞利分析仪公司）、jm-6360v扫描电子显微镜（日本电子公司）、d-max2500辐射衍射仪（日本科学学会）；锌粉、pb（no3）2，cd（no3）2，4h2o，浓亚硝酸盐和浓盐酸（分析试剂为纯或纯化）；聚醚聚醚膜（德国membrana）；硅藻土（吉林省洪亿制药有限公司生产，未经处理，主要成分为石英、蒙脱石、高岭石）、赤峰膨润土（俗称膨润土，内蒙古润龙化工有限公司未纯化，主要成分为石英、蒙脱石、高岭石、白云母、微长石）。1.2实验方法1.2.1标准水溶液的配制依据湖南省某大型锌冶炼厂高浓度重金属废水特征和WFX-110A型原子吸收分光光度计的检测限,分别配制初始浓度依次为CZn2+=20mg·L-1(参照文献方法配制)、CPb2+=50mg·L-1(参照文献方法配制)、CCd2+=20mg·L-1(参照文献方法配制)的重金属标准水溶液.具体方法如下:(1)Zn2+标准溶液的配制准确称取0.5000g锌粉,用适量浓盐酸溶解后,蒸发至近干,以除去多余的盐酸,再以二次蒸馏水定容至500mL,得1000mg·L-1Zn2+储备液,再将储备液稀释50倍得20mg·L-1Zn2+标准溶液,pH=3.18;(2)Pb2+标准溶液的配制准确称取0.7993gPb(NO3)2用二次蒸馏水溶解定容至500mL,得1000mg·L-1Pb2+储备液,再将储备液稀释20倍得50mg·L-1Pb2+标准溶液,pH=5.95;(3)Cd2+标准溶液的配制准确称取1.3721gCd(NO3)2·4H2O,用二次蒸馏水溶解定容至500mL,得1000mg·L-1Cd2+储备液,再将储备液稀释50倍得20mg·L-1Cd2+标准溶液,pH=6.44.1.2.2硅藻土和膨润土对z2+及cd2+的去除效果准确称取0.1500g硅藻土或膨润土10份,分别置于100mL单口烧瓶中,加入50mLZn2+标准溶液.在室温下,快速搅拌一定时间后,经5000r·min-1高速离心3min(若用膨润土作吸附剂,离心后向浑浊的离心液中加入0.2mL0.01g·L-1聚丙烯酰胺溶液絮凝未离心完全的膨润土,再经5000r·min-1高速离心3min),向离心液加入两滴浓硝酸作为基体改进剂(酸化后,溶液pH=2).移取10mL离心液,用聚醚砜膜过滤,用原子分光光度法测定滤液中残留Zn2+的浓度,分别计算不同吸附时间下硅藻土和膨润土对Zn2+的去除率.按同样方法,获得不同吸附时间下硅藻土和膨润土对Pb2+和Cd2+的去除率.1.2.3x-射线衍射分析xrd将经60℃真空干燥的硅藻土和膨润土研磨成粉末状,在X射线衍射仪上进行分析.测试条件:射线源为Cu-Kα(40kV,250mA),扫描速率为9.0°·min-1,扫描范围为2θ在3.0°—65.0°.1.2.4固体表观形貌的观察将经60℃真空干燥的硅藻土、膨润土以及分别吸附Zn2+、Pb2+和Cd2+后的硅藻土、膨润土研磨成粉末状,在试样表面喷涂一层金膜,用JSM-6360LV型扫描电子显微镜观察其固体表观形貌.测试条件:加速电压为25kV,扫描倍率为×2000和×10000.2结果与讨论2.1添加聚丙烯酰胺对z2+、pb2+和cd2+膨润土的吸附能力实验方法见1.2.2,改变搅拌时间,考察吸附时间对3种重金属离子去除率的影响,结果见图1.由图1可知,以硅藻土和膨润土作为吸附剂,吸附时间对3种重金属离子的去除率影响较小,吸附速度都较快,均可在数分钟内达到吸附平衡,适合重金属工业废水的连续化处理.吸附达到平衡时,硅藻土对Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率分别为76.1%、78.9%和82.5%.因膨润土不易沉降,加入适量聚丙烯酰胺促进沉降,但聚丙烯酰胺的加入,导致Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率略有升高,增幅程度依次为2.6%、1.9%和1.5%.加入聚丙烯酰胺后,膨润土对Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率分别为83.1%、92.7%和85.4%.由重金属离子的去除率可见,相同质量膨润土的吸附能力优于硅藻土.2.2硅藻土的z2+等离子束的最适吸附量实验方法见2.1,加入重金属标准溶液后,立即微波加热45s,溶液温度由室温升至56℃,其它条件不变,考察微波加热与否对吸附剂吸附重金属离子的影响,实验结果见图1.由图1可知,微波加热后,硅藻土对3种重金属离子的吸附能力没有明显的提高;膨润土的吸附能力有显著的提高,其中对Zn2+的去除率提高最大.吸附达到平衡时,硅藻土对Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率分别为76.4%、80.5%和82.8%;膨润土对Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率分别为90.1%、95.8%和85.4%.膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产,蒙脱石晶胞形成的层状结构存在某些阳离子,如Cu2+、Mg2+、Na+、K+等,且这些阳离子与蒙脱石晶胞的作用很不牢固,易被其它阳离子交换,故具有较好的离子交换性.由图2和图3(a、b、f和g)可以看出,虽然微波加热对硅藻土和膨润土的结构、微观形貌均没有明显的影响,但微波加热能提高膨润土对重金属离子的吸附能力,这是因为微波作为一种电磁波,具有波粒二象性和独特的加热方式,对流体中物质进行选择性加热,对吸收波的物质有低温催化作用,能促进重金属离子与蒙脱石晶胞内的某些阳离子之间的交换,能促进吸附剂与污染物之间形成的积聚物的沉淀反应更完全、更快速.2.3吸附剂用量对重金属离子去除率的影响实验方法见1.2.2,为充分达到吸附平衡,吸附时间设定为1h.各取8份分别作为1组,吸附剂用量(每升重金属标准溶液所需吸附剂的用量)依次为1、2、3、4、5、6、7和8g,其它条件不变.考察吸附剂用量对3种重金属离子去除率的影响.由图4可知,吸附剂用量对去除率的影响较为明显,其中硅藻土的用量对Pb2+的去除率影响最大.在最大吸附剂用量下,硅藻土对Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率分别为78.6%、89.3%和86.2%;膨润土对Zn2+、Pb2+和Cd2+的去除率分别为82.9%、94.5%和93.1%.从经济角度和重金属离子的去除率等方面考虑,硅藻土和膨润土的最佳用量分别为7g·L-1和8g·L-1.2.4z2+溶液ph值实验方法见1.2.2,用浓硝酸和氢氧化钠溶液调配不同pH值的重金属标准溶液,浓度依次为CZ2n+=20mg·L-1、CPb2+=50mg·L-1、CCd2+=20mg·L-1.吸附时间设定为1h.取不同pH值的重金属标准溶液,以6份作为1组.Zn2+溶液pH值依次为1.20、3.18、4.81、7.52、10.15和11.47;Pb2+溶液pH值依次为1.60、3.17、5.35、7.37、9.65和10.72;Cd2+溶液pH值依次为1.45、3.07、4.40、6.44、8.75和10.46,其它条件不变.考察溶液不同pH值对3种重金属离子去除率的影响.由图5可知,随着溶液pH值的升高,硅藻土和膨润土对3种重金属离子的去除率呈逐渐增大的趋势.溶液pH值在酸性区间时,硅藻土的孔道被大量的H+包覆,阻碍了重金属离子进入孔道,膨润土表面的吸附位点被H+占据,与重金属离子形成了竞争吸附,同时不利于硅藻土和膨润土与重金属离子之间的离子交换吸附;溶液pH值在碱性区间时,离子交换吸附作用加强,同时部分重金属离子以氢氧化物沉淀形式去除.2.5硅藻土物理吸附机理由图3(a)和3(b)可以看出,经微波加热处理和未经微波加热处理的硅藻土在外观上没有明显的差别,壳体上均有大量有序排列的小圆孔,因此硅藻土具有很大的比表面积.比表面积越大,其吸附量越大;孔径越大,重金属离子在孔内的扩散速率越大,则越有利于达到吸附平衡;孔径一定时,孔容越大,吸附量就越大.硅藻土的表面及其孔内表面附有大量的硅羟基,硅羟基在水溶液中离解出H+,使其颗粒表现出一定的负电性,所以对于带正电荷的重金属离子来说,它可通过电中和作用被吸附而稳定.研究表明硅藻土对Zn2+、Cd2+的吸附过程为物理吸附过程,而对Pb2+的吸附过程以粒内扩散为主.由图3(c—e)可以看出,吸附Zn2+、Pb2+、Cd2+后的硅藻土的大部分孔道被吸附物填充,孔道变得小而模糊.由图3(f—j)可以看出,微观下膨润土呈不规则的块状,经微波加热和吸附重金属离子后,其外观无显著的变化.但是,微波加热能提高膨润土对重金属离子的吸附能力.这是因为膨润土吸附重金属离子的机理与硅藻土不同,膨润土对重金属离子的吸附是一个复杂的非均相固液离子交换与吸附过程,它的重要成分蒙脱石起主要吸附作用.蒙脱石对溶液中重金属离子的吸附主要是由两部分组成:层间离子交换吸附和表面离子吸附;在某些情况下还可能在膨润土的表面形成表面化合物,从而产生表面沉淀吸附.它是用其富含的大量游离K+、Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子与重金属离子交换,从而起到去除重金属离子的作用.微波加热能促进重金属离子与蒙脱石晶胞内阳离子之间的交换,从而提高膨润土对重