淺析無(wú)機(jī)改性煤矸石對(duì)磷的吸附

潘維煜

摘 要：采用單因子實(shí)驗(yàn)的方法，選擇了合適的改性劑對(duì)煤矸石的無(wú)機(jī)改性進(jìn)行了研究，探討了煤矸石的投入量，pH值等因素對(duì)磷去除效果的影響，并對(duì)改性煤矸石吸附的機(jī)理進(jìn)行了探討。研究結(jié)果表明，用HCl或HCl+H2SO4改性過(guò)的煤矸石有較好的效果，對(duì)磷的去除率很強(qiáng)。當(dāng)改性煤矸石的投入量為10g/L時(shí)，pH=6-12時(shí)的效果好，去除率為85%-90%。

關(guān)鍵詞：煤矸石；磷；吸附劑

煤矸石是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中采煤和洗煤時(shí)被分離出來(lái)的廢渣，是我國(guó)目前排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前煤矸石堆放量已超過(guò)38億噸，預(yù)計(jì)每年還將有1億噸的煤矸石的排放。大量堆放的煤矸石不僅是煤礦生產(chǎn)的沉重包袱，而且對(duì)大氣、水及生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。如何提高煤矸石綜合利用的經(jīng)濟(jì)附加值及有效成分利用率，依然是一個(gè)重要的研究課題。文獻(xiàn)[1]曾提出，可以利用陽(yáng)泉煤矸石制取鋁鹽，生產(chǎn)系列分子篩，高級(jí)陶瓷和煅燒高嶺土，生產(chǎn)有機(jī)復(fù)合肥料等化工產(chǎn)品。曾有一些以煤矸石為原料制備沸石的報(bào)道[2.3]，但只是利用其中的硅和鋁；也有以煤矸石為原料制備活性炭的報(bào)道[4]，則只是利用了其中的碳；以煤矸石為原料制備活性炭-沸石復(fù)合物，使煤矸石中三種主體化學(xué)成分：硅氧化物，鋁氧化物和碳都將得到利用，可以用作吸附劑、除臭劑和凈化劑，應(yīng)用于氣體的分離、凈化和廢水處理等行業(yè)。因此，對(duì)煤矸石的處理和有效利用已成為環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的重要研究課題之一。近年來(lái)，有關(guān)利用煤矸石作為吸附劑的研究有一些報(bào)道，但其研究方法比較復(fù)雜，費(fèi)用比較高[5]。本實(shí)驗(yàn)對(duì)煤矸石進(jìn)行了酸處理，初步研究了投入量、pH值對(duì)磷的去除效果的影響。該方法簡(jiǎn)單，成本較低，吸附效果較好。以此尋找煤矸石利用的新途徑。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

722型光柵分光光度計(jì)（廈門市分析儀器廠），82-1型座式離心機(jī)，85-2型6座磁力攪拌器（上海司樂儀器廠），電光分析天平，KQ-C型玻璃儀器烘干器，HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋等。

1.2 實(shí)驗(yàn)藥品

煤矸石：取自河南水冶某礦，粉碎過(guò)80目篩?；瘜W(xué)成分如表

表1 煤矸石化學(xué)成分

鉬酸銨（AR.北京化工廠） ；Na2HPO4（AR.北京化工廠）； HCl，H2SO4， NaF（AR.北京化工廠）；SnCl2， NaOH，尿素等。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

采用單因子實(shí)驗(yàn)方法，選擇合適的改性劑，研究改性煤矸石的投入量，pH值對(duì)磷的吸附效果的影響。

（1）煤矸石的無(wú)機(jī)改性制備

取煤矸石適量（固液比1：4），分別加入2mol/L HCl、2mol/LH2SO4、1mol/LHCl與1mol/LH2SO4的混合液中，常溫條件下攪拌反應(yīng)30min后，進(jìn)行抽濾，并洗至中性，將所得固體于65℃烘干[6]。

（2）磷標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

磷標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制參考文獻(xiàn)[7]。檢測(cè)方法用磷鉬藍(lán)法，在660nm處測(cè)磷酸根離子吸光度[8]。磷酸根離子的濃度和其吸光度之間存在很好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9998。

A=0.3667C+0.0817

式中：A-吸光度

C-磷酸根離子的濃度

本實(shí)驗(yàn)以改性煤矸石吸附前后溶液吸光度的變化來(lái)表征改性煤矸石的吸附能力，并用去除率來(lái)定量表示[9]。

去除率計(jì)算公式為：

E=（A0-A）×100%/A0

式中：A0-吸附前溶液的吸光度；A-吸附后溶液的吸光度

2 結(jié)果與討論

2.1 經(jīng)HCl改性煤矸石的除磷效果

圖1為pH值對(duì)磷酸根離子去除效果的影響（煤矸石投入量為 4g/L，原磷酸根離子的濃度為10mg/L）

由圖1可知，在pH為6-10時(shí)，對(duì)PO43-的去除率達(dá)80%以上，且在pH為8時(shí)的去除效果最好，為84.8%。

圖2是在pH值為8（原水PO43-的濃度為10mg/L），煤矸石投入量不同時(shí)對(duì)PO43-去除的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)煤矸石投入量為6g/L時(shí)，磷的去除率達(dá)85%，投入量為10g/L時(shí)，磷的去除率為90%，繼續(xù)增加煤矸石的投入量，去除率沒有明顯的變化。

2.2 經(jīng)硫酸改性煤矸石的除磷效果

圖3是硫酸改性煤矸石在不同pH值時(shí)對(duì)磷酸根離子的去除效果。

由圖3可知，在pH值為6-12時(shí)，對(duì)PO43-去除率達(dá)70%，且在pH為8時(shí)，去除效果最好達(dá)75.3%。

圖4是在控制pH值為8（原水PO43-的濃度為10mg/L）， H2SO4處理煤矸石投入量不同時(shí)對(duì)PO43-去除的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)煤矸石投入量為8g/L時(shí)，磷的去除率達(dá)80%，投入量為10g/L時(shí)，磷的去除率為85%，繼續(xù)增加煤矸石的投入量，去除率隨之有所增加，可提高至87.2%，增加不明顯的變化，考慮到經(jīng)濟(jì)效率，選擇以投入量為10g/L為宜。

2.3 經(jīng)鹽酸+硫酸改性煤矸石的除磷效果

本實(shí)驗(yàn)研究了鹽酸、硫酸復(fù)合酸改性煤矸石的除磷效果。圖5是在煤矸石投入量為 4g/L，原磷酸根離子的濃度為10mg/L時(shí)，pH值對(duì)磷酸根離子去除的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由圖5可知，在pH為10時(shí)，去除率最高為75.4%，在pH值〈6時(shí)，去除率呈明顯的下降趨勢(shì)。而pH>10時(shí)，去除效果也明顯下降。因此，應(yīng)控制pH值在6-10之間時(shí)，去除效果較好。

選擇pH=10，研究煤矸石投入量不同時(shí)，對(duì)磷酸根離子去除效果的影響，其結(jié)果見圖6。

由圖6可知，在投入量為10g/L時(shí)，去除效果可達(dá)88%，當(dāng)其投入量為14g/L時(shí)，去除率達(dá)88.9%。

3 處理機(jī)理分析

（1）煤矸石的比表面積大，表面能高，且存在著許多鋁硅等活性點(diǎn)。Si-O-Si鍵 ，Al-O-Al鍵與具有一定極性的分子產(chǎn)生偶極-偶極鍵的吸附，煤矸石次生的帶正電荷的硅酸鹽之間可形成離子交換或離子對(duì)的吸附。因此具有較強(qiáng)的吸附能力。

（2）改性煤矸石是在酸性條件下制備的，故溶出的Ca2+ 離子能夠與PO43-生成沉淀。此外，用酸處理的煤矸石中還含有Al2（SO4）3，F(xiàn)eCl3，AlCl3，F(xiàn)e2（SO4）3，H4SiO4等成分，其中Al、Fe等都能形成多核羥基絡(luò)合離子離子，它對(duì)磷酸根離子有吸附和絡(luò)合作用。

4 結(jié)論

經(jīng)HCl或HCl+H2SO4 改性過(guò)的煤矸石在投入量為10g/L，控制溶液的pH在6-12之間時(shí)，對(duì)磷有較好的去除效果，去除率為85%-90%。而H2SO4改性過(guò)的煤矸石的除磷效果較差，不如以上兩種。

參考文獻(xiàn)

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