不同配比的膨潤土-鋼渣復合吸附劑處理AMD對比試驗研究

摘要：為了能夠廉價高效的治理酸性礦山廢水（AMD），本試驗采用不同配比的膨潤土-鋼渣復合吸附劑進行對比研究，篩選出處理AMD時更優(yōu)配比的復合吸附劑，并揭示復合吸附劑對Cu²⁺、Zn²⁺的吸附機理。試驗結(jié)果表明：5：5膨潤土-鋼渣復合吸附劑的吸附效果更佳，處理單一重金屬離子時，對Cu²⁺的去除率達99.23%、Zn²⁺的去除率達97.15%;處理AMD時，反應150min，處理水pH值為7.0，Cu²⁺、Zn²⁺的去除率為98.41%、92.35%。

關(guān)鍵詞：膨潤土;鋼渣;酸性礦山廢水;重金屬離子

中圖分類號：X703;TD985

AMD具有pH值低，重金屬離子濃度高等特點，對土壤結(jié)構(gòu)和水環(huán)境有嚴重的危害，即使在礦山關(guān)閉，其造成的危害仍然會持續(xù)幾十年甚至長達幾百年^[1，2]，因此，探究切實有效的處理方法以減小AMD的危害乃當務之急。目前采用的方法大多數(shù)處理成本高，甚至造成二次污染，因此，尋找廉價高效的水處理材料一直是國內(nèi)外學者研究的重點。

膨潤土和鋼渣來源廣泛，價格低廉，均是良好的吸附材料。膨潤土可通過吸附、離子交換、絮凝作用起到良好的凈化污水效果^[3]。鋼渣有良好的孔道特性，吸附性能良好，并且可釋放堿度在中和AMD酸性、化學沉淀重金屬離子方面效果優(yōu)良。本試驗采用自制膨潤土-鋼渣復合吸附劑處理AMD，通過對比膨潤土和鋼渣不同配比制造的吸附劑對AMD中pH值、Cu²⁺、Zn²⁺的處理效果，篩選出最佳配比的復合吸附劑，實現(xiàn)以廢治廢降低處理成本，并為膨潤土-鋼渣復合吸附劑應用于治理酸性礦山廢水提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

材料：膨潤土為鈉基膨潤土，取自遼寧省某膨潤土礦;鋼渣取自山東省某鋼廠。

藥品：所用藥品均為分析純，鹽酸，CuSO₄?5H₂O，ZnSO₄?7H₂O，無水NaCO₃，硝酸。

水樣：試驗水樣為模擬酸性礦山廢水，調(diào)節(jié)pH值為4.0，Cu²⁺、Zn²⁺濃度分別為20mg/L、25mg/L。

1.2 膨潤土-鋼渣復合吸附劑制備

將膨潤土粉末、鋼渣粉末（目數(shù)均在200-300）分為質(zhì)量比為5：5和8：2兩種配比，粘結(jié)劑NaCO₃的摻量均為二者總量的5%，將以上材料加入蒸餾水混合攪拌均勻后，置于陰涼處陳化24h，制造成粒徑約為2mm的顆粒，再避光通風陳化24h后，在500℃下焙燒1h，冷卻至室溫備用。

1.3 試驗方法

本試驗采用靜態(tài)試驗，取若干個250ml的錐形瓶，分別盛有100ml的濃度為20mg/L的Cu²⁺溶液、濃度25mg/L的Zn²⁺溶液，以及模擬酸性礦山廢水。依次加入兩種吸附劑各2g并密封，錐形瓶在25℃轉(zhuǎn)速為100r/min的條件下，測定不同反應時間溶液中Cu²⁺、Zn²⁺、模擬AMD中重金屬離子的剩余濃度值，計算去除率，以及測定模擬AMD中pH值的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種復合吸附劑對Cu²⁺的吸附效果

取兩個250ml錐形瓶各加入100mL的Cu²⁺濃度為20mg/L的水樣，依次加入2g兩種復合吸附劑，其他條件按1.3節(jié)進行振蕩反應，分別測定不同時間溶液中Cu²⁺去除率變化，試驗結(jié)果如圖1。

由圖1可以看出，在前20min，兩種吸附劑對Cu²⁺的去除效率顯著上升，這是由于膨潤土和鋼渣對Cu²⁺的協(xié)同吸附效應。雖然隨著時間的延長，兩種復合吸附劑對Cu²⁺吸附量都逐漸增加，但是吸附速率不同，5：5吸附劑吸附速率明顯高于8：2吸附劑，這是由于高吸附速率的復合吸附劑中鋼渣所在比例較高，釋放的堿度也更高，所以Cu²⁺可以與鋼渣釋放的堿度迅速結(jié)合，形成Cu（OH）₂沉淀，從而去除廢水的Cu²⁺。由于吸附點位逐漸被占據(jù)，兩種吸附劑對Cu²⁺的吸附速率也逐漸降低并趨于平穩(wěn)。雖然兩種吸附劑對Cu²⁺都表現(xiàn)了良好的吸附效果，8：2吸附劑對Cu²⁺去除率可達92.11%，但5：5吸附劑處理效果更優(yōu)，最高去除率為99.23%，這是因為膨潤土和鋼渣均屬于堿性吸附材料，釋放堿度的能力鋼渣>膨潤土，吸附能力膨潤土>鋼渣，因此，鋼渣所占比例越高，通過化學沉淀的Cu²⁺也越多。但是吸附材料的堿性釋放能力有限，所以膨潤土所占比例越高，對Cu²⁺的吸附性能也越強，因此，兩種吸附劑對Cu²⁺的吸附量相差不多。

2.2 兩種復合吸附劑對Zn²⁺的吸附效果

取兩個250ml錐形瓶各加入100mL的Zn²⁺濃度為25mg/L的水樣，依次加入2g兩種復合吸附劑，其他條件按1.3節(jié)進行振蕩反應，分別測定不同時間溶液中Zn²⁺去除率變化，試驗結(jié)果如圖2。

由圖2可以看出，兩種復合吸附劑對Zn²⁺的吸附量隨著時間的延長逐漸升高，這是因為膨潤土呈電負性且具有較大的比表面積，能迅速吸附Zn²⁺，使蒙脫石晶格中的陽離子與Zn²⁺發(fā)生離子交換吸附。而鋼渣釋放的OH^-堿度和CO₃^2-堿度會產(chǎn)生Zn（OH）₂沉淀和ZnCO₃沉淀，其他堿度會與Zn²⁺形成絡(luò)合物，再通過絮凝作用使Zn²⁺絡(luò)合物下沉還原吸附點位，從而促進反應的進行，使Zn²⁺的去除率得到提升。這是因為膨潤土-鋼渣復合吸附劑對Zn²⁺的產(chǎn)生離子交換、化學沉淀和絮凝等作用。5：5吸附劑在前20min對Zn²⁺的吸附速率迅速升高，之后反應速率減緩;而8：2吸附劑在前10min對Zn²⁺的吸附速率迅速升高，之后反應速率減緩，且5：5吸附劑對Zn²⁺去除率明顯高于8：2吸附劑，這是因為反應初期鋼渣大量釋放堿度，通過化學沉淀作用快速去除Zn²⁺，5：5吸附劑中鋼渣含量與堿度釋放量均高于8：2吸附劑。因此，對Zn²⁺快速去除時間較8：2吸附劑更長，隨著鋼渣堿度釋放量的減少，反應趨勢減慢并趨于平穩(wěn)。5：5吸附劑和8：2吸附劑對Zn²⁺最終去除率分別為97.15%、83.42%。

2.3 兩種復合吸附劑處理AMD的對比試驗

取兩個250ml錐形瓶各加入模擬酸性礦山廢水100mL，依次加入2g兩種復合吸附劑，其他條件按1.3節(jié)進行振蕩反應，分別測定不同時間AMD中pH值的變化及重金屬離子的去除率，試驗結(jié)果如圖3、4。

由圖3、4可以看出，兩種吸附劑均可以中和AMD中的酸度，且較好的去除重金屬離子，這是因為鋼渣釋放的堿度降低了AMD中H⁺與重金屬離子的競爭吸附，提高了復合吸附劑對重金屬離子的去除效果。5：5吸附劑比8：2吸附劑使廢水達到中性時間更短，這是由于5：5吸附劑鋼渣釋放堿度大，對于pH值有更強的緩沖能力。兩種吸附劑對重金屬離子的處理效果均為Cu²⁺>Zn²⁺，這是因為礦物質(zhì)對痕量金屬元素的選擇先后取決于金屬元素的電負性^[4，5]，電負性越大，選擇順序越靠前，Cu²⁺的電負性大于Zn²⁺，此外離子半徑和電價也是影響離子交換反應的重要因素^[6]，Cu²⁺的水合離子半徑比Zn²⁺小，更容易與Si-O四面體中的陽離子發(fā)生交換反應。反應150min時，兩種吸附劑對AMD的處理效果趨于平穩(wěn)，5：5吸附劑效果優(yōu)于8：2吸附劑，可使AMD中pH值變?yōu)?.0，Cu²⁺、Zn²⁺的去除率為98.41%、92.35%。

3 結(jié)論

（1）膨潤土和鋼渣通過離子交換、化學沉淀、絮凝等作用可以協(xié)同處理Cu²⁺、Zn²⁺，5：5復合吸附劑對單一重金屬離子的處理效果均優(yōu)于8：2復合吸附劑，Cu²⁺、Zn²⁺的最高去除率為98.21%、97.15%。

（2）對比兩種吸附劑處理AMD的效果，5：5吸附劑的吸附效果更佳，最佳反應時間為150min，其鋼渣含量與堿度釋放量更高，可以更好地緩沖廢水的酸性，有利于處理更低pH值的AMD，對廢水中Cu²⁺的去除率高于Zn²⁺。

（3）膨潤土和鋼渣廉價易得，吸附性能良好，是很好的污水凈化材料，采用膨潤土-鋼渣復合吸附劑能夠高效的處理AMD，對于AMD治理具有一定參考價值。

參考文獻

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作者簡介：丁蕊（1989-），女，漢族，遼寧撫順人，碩士研究生，助教，研究方向：水污染控制理論與技術(shù)