利用陶粒及涂铁陶粒和涂铝陶粒对含铜废水吸附试验研究毕业论文(编辑修改稿)

利用陶粒及涂铁陶粒和涂铝陶粒对含铜废水吸附试验研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

科学院研发的高效微生物菌剂治理电镀废水已经获得成功，并进行了工业化应用。 同样，植物对 铜 也有约束力，如苜蓿，大部分品种的苜蓿对铜离子都有的束缚能力，而苜蓿吸 附的铜离子用 ／ L 的 HC1 即可洗脱。 但高浓度重金属离子对活生物毒性作用使其应用受到了限制。 由于死的生物比活性微生物更易保存，铜离子的生物吸附剂的发展逐渐会从活的微生物向死亡的微生物发展。 生物吸附现象在某种程度上会自然发生，因此可以选择高效的有生物吸附作用的微生物菌体作为天然吸附剂。 Mo Sheng 于 1990 年对藻类去除水中铜离子进行研究，在吸附和积累重金属离子方面，死亡的海藻比活细胞和组织更有效，吸附容量更大 [11]。 生物吸附技术具有广泛的工业应用前景，但目前利用此技术大规模处理废水的系统还相对 较少，这主要是因为现在对生物吸附金属机理的认识还不够深入，并缺乏金属离子和生物吸附剂相互作用的动力学数据，从而影响工业过程的系统设计和放大。 另外，不论是利用活性微生物还是死亡的微生物处理含铜废水，生物材料要能实现其应用价值，都必须有较好的物理性质和化学稳定性。 需要实现菌体颗粒化或固定化 [12]，这样将活性成分固定于载体上，才可能进行大规模的工业应用。 反渗透法：反渗透过程是以选择性透过膜为分离介质，借助于外界能量将原料一侧组分选择性地透过膜，从而达到分离、浓缩或提纯的目的。 这一过程是物长春工业大学本科生毕业论文 12 理 过程，不会发生相变，其实质是两种不同物质的分离。 目前，反渗透膜分离技术发展迅速，已成为一种重要的处理含铜等重金属废水的方法。 据相关报道显示，某有色金属冶炼企业采用常规水处理技术和反渗透膜技术集成的工艺处理电解铜粉生产过程中洗涤铜粉所产生的二次废水，废水主要成分为 Cu2+2g/L、 H2SO Fe2+，经系统处理后，水的回收利用率可达 90％，铜的回收率可达 99％以上。 在此过程中产生的透过液回收利用，而浓缩液返回循环冷却罐继续进行脱水浓缩，可达到设计的浓缩倍数。 与其它相变化技术相比，膜法处理废水 不会发生相变化，因而所需能量少、能耗低；不往系统内添加或少量添加化学物质，因此不会产生污泥和残渣，也不会产生二次污染；且处理设备占地面积小，设备紧凑，易控制，可以进行连续操作。 但该法存在不耐高温、抗压实性及抗微生物的侵蚀能力较差、膜质量要求高及使用年限短、水体通常需预处理等缺点。 利用重金属螯合剂处理含重金属废水近年来已有发展，最初的研究是将重金属螯合剂直接投加到废水中，使重金属螯合剂去捕集金属离子，从而形成螯合物。 该法形成的螯合物稳定性高，污泥沉淀快，且捕集效果不受碱金属和碱土金属共存的影响，也不受 pH 值变化的影响。 其不足之处与化学沉淀法相似，最终会产生含重金属污泥，若处理不当，会产生二次污染。 因此，人们开始寻求新的重金属螯合材料。 含氮型螯合树脂对重金属离子具有好的吸附性能。 被广泛应用于重金属离子的分离、富集及环境保护等方面，尤其是多胺型螯合树脂，由于结构中存在大量胺基，可以与重金属离子形成螯合物而显示出优异的吸附性能。 聚乙烯 亚胺 (Polyethyleneimine， PEI)是一种典型的水溶性聚胺，大分子链上拥有大量的胺基 N 原子，使 PEI 具有很强的授电子性，对金属离子能产生很强的螯合 作用，将 PE1 偶合枝到硅胶表面制备的 PEI／ SiO2螯合树脂用于重金属离子的回收，国内外均有报道 [13]。 电解法 电解法是利用通电时阴阳离子的电化学反应而使废水中的毒物分解、氧化还原、沉淀。 电解法流程简单，占地面积小，回收的金属纯度也高，在处理含铜废水时，可在阴极上回收铜，但要求废水中含量不小于 2～ 3g/L[14]。 在对含铜废水进行电解时， 铜 向阴极迁移并在电极表面析出，从而达到有效降低体系中的 铜 的目的。 电解法处理含铜废水不仅在理论上较为成熟，而且平板电极电解槽、流态 化电解槽等处理装置均在生产实际中得到广泛应用。 但是不足长春工业大学本科生毕业论文 13 之处在于耗电量大，废水处理量小。 液膜分离法 液膜分离技术是近年发展起来的新型膜处理技术，该技术由美国 N． N． LI博士于 1968 年首次提出，主要依据液膜对不同物质具有选择性渗透的性质来进行组分的分离，具有高效、快速、选择性好等显著特点。 近年来，使用含有流动载体的液体表面活性剂膜来分离浓缩金属离子的技术越来越引起人们的注意，在对废水中 铜 的处理研究也有报道。 溶剂萃取法 溶剂萃取法是利用铜离子在有机相和水相中溶解度不同，使 铜离子浓缩于有机相中，从而达到去除或降低水中铜离子含量的分离方法。 该方法可同时回收有价金属铜。 但处理后废水往往不能达到排放标准，需要进一步处理。 吸附 理论 在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象称为吸附。 在废水中，主要利用固体物质表面对废水中物质的吸附作用。 吸附法就是利用多孔性的固体物质，是废水中的一种或多种物质被吸附在固体表面而去除的方法。 通常称被吸附的物质为吸附质，用作吸附的多孔固体颗粒称为吸附剂。 吸附作用起因于固体颗粒的表面力。 固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的能力 ，比表面积很大的物质具有很高的吸附能力，可用作吸附剂。 吸附可分为物理吸附和化学吸附。 如果吸附剂与被吸附物质之间是通过分子间引力（即范德 华 力）而产生吸附，称为物理吸附；如果吸附剂与被吸附物质之间产生化学作用，生成化学键引起吸附，称为化学吸附。 离子交换实际也是一种吸附 [15]。 一定的吸附剂所吸附物质的数量与此物质的性质及其浓度和温度有关。 表明被吸附物的量与浓度之间的关系式称为吸附等温式。 目前常用的公式有二：费劳德利希（ Freundlich）吸附等温式，朗格缪尔（ Langmuir）吸附等温式。 长春工业大学本科生毕业论文 14 （ 1） 费劳德利希等温式 该公式是个经验公式，形式为： y/m=KC1/n (1) 式中： y— 吸附剂吸附的物质的量， mg； m— 投加吸附剂的量， mg； C— 到达平衡时溶液中被吸附物的浓度， mg/L； K,n— 经验常熟。 n值在正常条件下大于 1。 对上式取对数，可得： ㏒（ y/m）＝㏒ K＋ (1/n) ㏒ C (2) ㏒（ y/m）与㏒ C呈直线形式，直线的斜率为 1/n，截距为㏒ K。 上式常使用于检验实验资料的拟合，并用以计算常数 K 和 n。 本式在低浓度时较适用。 （ 2） 朗格缪尔等温式 该公式适在被吸附物质仅为单分子层的假定下导出的，形式为： y/m=K C/(1+K1C) (3) 本公式的假设使它的应用多少受到限制，但对某些数据，使用此公式更为拟合，且适用于各种浓度条件，因而得到较广泛的应用。 将上式变换形式成以下形式，使用时较方便： C/(y/m)=1/K+(K1/K)C (4) 此式可预期 C/(y/m)与 C呈直线关系。 影响吸附的因素是多方面的，吸附剂结构、吸附剂性质、吸附过程的操作条件等都影响吸附效果。 (1)吸附剂 ○ 1 比表面积：单位重量吸附剂的表面积称为比表面积。 吸附剂的粒径越小，或是微孔越发达，其比表面积越大。 吸附剂的比表面积越大，则吸附能力越强。 ○ 2 孔结构：吸附剂内孔的大小 和分布对吸附性能影响很大。 孔径太大，比表面积小，吸附能力差；孔径太小，则不利于吸附质扩散，并对直径较大的分子起屏蔽作用。 大部分吸附表面积由微孔提供，因此吸附量主要受微孔支配。 ○ 3 表面化学性质：吸附剂在制造过程中会形成一定量的不均匀表面氧化物，表面氧化物可成为 选择性的吸附中心，使吸附剂具有类似化学吸附的能力。 吸附剂的物理化学性质和吸附质的物理化学性质对吸附有很大影响。 一般，极性分子(或离子 )型的吸附剂容易吸附极性分子 (或离子 )型的吸附质；非极性分子型的吸附剂容易吸附非极性的吸附质。 (2)吸附质 长春工业大学本科生毕业论文 15 对于一定的吸附质，由于吸附质性质的差异，吸附效果也不一样。 通常 吸附 有机物时，随有机物分子量的增大而增大。 吸附质的溶解度越低，越容易被吸附。 吸附质的浓度增加，吸附量也随之增加。 (3)操作条件 ○ 1 温度的影响：吸附是放热过程，低温有利于吸附，升温有利于脱附； ○ 2 pH 值的影响：溶液的 pH值影响到溶质的存在状态，也影响到吸附剂表面的电荷特性和化学特性，进而影响到吸附效果； ○ 3 接触时间的影响：在吸附过程中， 应保证吸附剂与吸附质有足够的接触时间。 吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标。 固体吸附剂吸附能力的大小可用吸附量来衡量。 吸附速度是指单位重量吸附剂在单位时间内所吸附的物质量。 在水处理中，吸附速度决定了污水需要与吸附剂接触的时间。 吸附速度快，则所需的接触时间就短，吸附设备的容积就小。 多孔性吸附剂的吸附过程基本上可分为三个阶段：颗粒外部扩散阶段，即吸附质从溶液中扩散到吸附剂表面；孔隙扩散阶段，即吸附质在吸附剂孔隙中继续向吸附点扩散；吸附反应阶段，吸附质被吸附在吸附剂孔隙内的吸附点表面。 一般，吸附速度主要 取决于外部扩散速度和孔隙扩散速度。 颗粒外部扩散速度与溶液浓度成正比，也与吸附剂的比表面积的大小成正比。 因此吸附剂颗粒直径越小，外部扩散速度越快。 同时，增加溶液与颗粒间的相对运动速度，也可以提高外部扩散速度。 孔隙扩散速度与吸附剂孔隙的大小和结构，吸附质颗粒的大小和结构等因素有关。 一般，吸附剂颗粒越小，孔隙扩散速度越快。 概述 吸附剂的种类很多。 常用的有天然和人工制作的两类吸附剂。 天然矿物吸附剂有硅藻土、白土、天然沸石等。 虽然其吸附能力小，选择吸附分离能力低，但价廉易得，不易于进行 回收。 人工吸附剂则有活性炭、硅胶、活性氧化铝、合成沸石等等。 （ 1）活性炭 :将煤、椰子壳、果核、木材等进行炭化，再经活化处理，可制成各种不同性能的活性炭，其比表面可达 1500m2/g。 活性炭具有非极性表面，为疏水性和亲有机物的吸附剂。 在生产中应用的活性炭的种类很多。 一般都制成粉末状或颗粒状。 粉末状的活性炭吸附能力强，制备容易，价格较低，但再生困难，一般不能重复使用。 颗粒状的活性炭价格较贵，但可再生后重复使用，并且使用时的劳动条件较好，操作管理方便。 因此在水处理中较多采用颗粒状活性炭。 （ 2）硅胶 :硅酸钠溶液 用酸处理，沉淀所得的胶状物经老化、水洗、干燥后，长春工业大学本科生毕业论文 16 制得硅胶。 硅胶是一种亲水性的吸附剂，其比表面可达 600m2/g。 硅胶是无定形水合二氧化硅，其表面羟基产生一定的极性，使硅胶对极性分子和不饱和烃具有明显的选择性。 （ 3）活性氧化铝 :由 含水氧化铝加热活化而制的活性氧化铝，其比表面可达350m2/g。 活性氧化铝是一种极性吸附剂，对水分的吸附能力大，且可循环使用，物化性能变化不大。 （ 4）合成沸石和天然沸石分子筛 :沸石是一种硅铝酸金属盐的晶体，其比表面可达 750m2/g。 它具有较高的化学稳定性，微孔尺寸大小均一，是强 极性吸附剂。 随着晶体中的硅铝比的增加，极性逐渐减弱。 它的吸附选择性强，能起筛选分子的作用。 沸石分子筛在环境水处理中应用很广。 （ 5）腐植酸类吸附剂 :用作吸附剂的腐植酸类物质主要有：天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等，它们可以直接使用或经简单处理后使用；将富含腐植酸的物质用适当的粘合剂制备成的腐植酸系树脂。 腐植酸类物质能吸附工业废水中的许多金属离子，如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。 腐植酸类物质在吸附重金属离子后，可以用 H2SO HCl、 NaCl 等进行解吸。 目前，这方面的应用还处于试验、研究阶段，还存在吸附 (交换 )容量不高，适用的 pH 值范围较窄，机械强度低等问题，需要进一步研究和解决。 所 用吸附剂 火山渣是一种火山喷发中经过高温燃烧喷出后冷却形成的矿渣状多孔轻质材料，由孔隙、火山玻璃和矿物组成。 具有多孔、轻质、导热系数小，颗粒均匀等性质。 孔隙是由于泡沫破裂、气体逃逸而形成。 火山渣通常为黑色、深灰色、红色和棕色。 自然形态以粗粒状火山堆积形式存在，主要靠颗粒间的嵌挤作用而形成不规则排列。 由于其内部多孔，比表面积较大，化学和热稳定性好，使之具有较好的吸附性能，而且易于再生，便于重复利用 ,因此 火山渣 陶粒是一种廉价的吸附剂 [16]。 我们通过实验发现，陶粒对铜具有较强的吸附能力，进而对用陶粒处理含铜废水进行了试验研究。 本方法操作简便、易于固液分离，因此具有一定的实用性。 氧化铝 和铁氧化物 是多孔性物质，每克的内表面积高达数百平方米，活性高吸附能力强。 采用氧化铝 和铁氧化物 改性剂涂在陶粒上 ,可改变陶粒表面的负电性。 采用这种氧化铝 和铁氧化物 涂层陶粒进行直接过滤 ,可以有效地提高对铜离子的去除效果。 此外， 陶粒涂层中铝离子和铁离子溶出，将在溶液中形成絮体，对铜离子有一定的沉淀效应 ，从而可有效降低铜的浓度。 长春工业大学本科生毕业论文 17 吸。