钢渣对水中重金属离子的吸附去除研究-环境科学与工程专业论文.docxVIP

摘要 摘 要 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 摘 要 吸附法处理重金属废水的核心问题是选择高吸附性能、低成本的吸附剂。 本文选取钢铁工业产生的废弃钢渣（宝钢钢渣和首钢钢渣）作为研究对象，以 Cu2+、Cd2+、Pb2+做为目标离子，从吸附能力、影响因素、微观结构、机理模 型、应用条件控制和吸附能力提高等方面系统化研究钢渣对重金属的吸附去除 性能，力求达到同时实现工业废物资源再利用和重金属废水治理的双赢效果。 在温度为 25°C、溶液pH为 5、钢渣粒径为 0.45~0.90mm条件下，根据 Langmuir模型计算得宝钢钢渣对Cu2+、Cd2+、Pb2+的理论吸附容量分别为 0.101、 0.058 和 0.120 mmol/L；首钢钢渣对Cu2+、Cd2+、Pb2+的理论吸附容量分别为 0.156、0.166 和 0.145 mmol/L；两种钢渣对重金属的理论吸附容量显著高于三 种常用的高效能吸附剂沸石、陶粒和蛭石。在pH为 2~8、温度为 15~35°C、钢 渣粒径为 0.45~4.00mm的范围内，pH值增大、温度上升和粒径减小均可导致钢 渣对重金属的吸附量和去除率上升。共存阳离子中以Al3+ 和Fe3+ 对钢渣吸附 Cu2+、Cd2+、Pb2+的抑制作用最强； 阴离子中的PO4 3-和HCO3-显著提高钢渣对 3 种重金属离子吸附量。溶液中腐殖酸的存在明显提高钢渣对Pb2+和Cu2+的吸附 量。 钢渣对重金属离子的吸附过程符合一级动力学模型，且吸附速率受颗粒内 扩散步骤控制。吸附过程的△G00，△H00，△S00，表明钢渣对重金属离子 的吸附作用是一个自发、吸热、熵值变大的过程。对钢渣吸附重金属前后的样 品的表征结果表明，重金属离子与钢渣表面的钙氧化物和硅氧化物间的离子交 换作用和表面络合沉淀作用是钢渣对重金属离子吸附去除的主要机制。 动态吸附柱实验结果表明，减小进水流速和重金属离子浓度可以延长吸附 柱的穿透时间和耗竭时间，减小钢渣粒径增大穿透时间但减小耗竭时间。在温 度为常温，吸附柱内径为 10mm，固定床高度为 60mm，进水流速为 5 mL/min， 重金属离子初始浓度为 20 mg/L，填充粒径为 0.45~0.90mm的操作条件下，Cu2+、 Cd2+和Pb2+对应的单位质量吸附量Qac max分别为 0.95、1.85 和 3.52 mg/g；对应 的穿透时间分别为 155、244 和 616min；对应的耗竭时间分别为 606、1252 和 1965min；对应的最高柱效率分别为 60.37%、54.48%和 57.26%。钢渣对三种重 金属离子的吸附优先顺序为Pb2+ Cd2+ Cu2+。 钢渣可自发吸附溶液中磷酸根，吸附磷酸根后钢渣的比表面积增大。吸磷 后钢渣对Cu2+、Cd2+、Pb2+的理论吸附量分别增大为吸磷前的 1.59、1.50 和 1.89 I 倍。动态吸附实验的结果表明，相同条件下吸磷后钢渣对Cu2+、Cd2+和Pb2+的 单位质量吸附量Qac max分别增大为改性前的 2.18、1.77 和 1.81 倍；吸附柱穿透 时间分别延长为改性前的 2.19、1.78 和 1.83 倍；耗竭时间分别延长为改性前的 2.34、1.65 和 2.03 倍；柱效率分别提高了 5.0%、8.4%和 6.9%。钢渣具有同时 去除废水中磷酸根和重金属的应用潜力，且磷酸根的吸附可促进钢渣对重金属 的吸附。 关键词：钢渣；重金属离子；静态吸附；影响因素；动态吸附 — II — Abs Abstract 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 III III - - IV - Abstract Adsorption is a promising treatment techonology for wastewater polluted by heavy metals, and the key problem of this technolgy is the selection of low-cost adsorbents with high efficiency. Abandoned slag (Baogang (BG) slag and Shougang (SG) slag) in the production of iron and steel industry was selected as target adsorbents in the study. Cu2+, Cd2+ and Pb2+ were selected as target ions. Adsorption performance of heavy metal