铜、铅、镉重金属废水处理剂：粉煤灰、合成沸石

天然沸石具有广泛的用途,但其开采由于要受到沸石含量和选矿方法的限制。因此,为了充分利用沸石的性能,人们通常致力于人工合成沸石。

以往合成沸石主要是利用Al(OHI)3等工业原料,然而价格昂贵,不易形成规模生产。后来,人们发现电厂粉煤灰中含有SiO2和Al2O3,所以尝试利用从粉煤灰中合成沸石。

通过研究不难看出,所选用的粉煤灰合成沸石,不仅粉煤灰转化为合成沸石效率高,而且对重金属离子的吸附容量也较粉煤灰高。

利用粉煤灰合成沸石的方法是水热合成法,其原料除粉煤灰外,主要辅料为碱和水,合成工艺和原料均较简单,利用粉煤灰合成沸石成本增加不多,但却増加了粉煤灰的科技含量和附加值,拓展了粉煤灰的用途,并为人工合成沸石找到了一种廉价的原料。就其自身经济价值而言,每吨粉煤灰的售价约为几十元,但合成沸石后其售价即可达到数百元,甚至上千元粉煤灰是以煤为燃料火电厂排放的固体废物,其处置与利用一直是人们关注的课题。

自1985年 Holler利用粉煤灰在水热条件下合成人工沸石以来,人们对利用粉煤灰合成沸石并将之应用于重金属污水处理进行了不断的探索,不仅为粉煤灰的处置和利用找到了一条新途径,而且也为污水处理开发出了一种新型处理材料。

专家在研究中,首先利用我国华中地区某热电厂的粉煤灰在水热条件下合成得到了几组沸石样品,然后选用含沸石量较高的样品分别对含有Cu2+、Pb2+、Cd2+3种重金属离子的污水进行处理,获得了满意的效果。

粉煤灰的选取合成沸石所用粉煤灰选我国华中地区某热电厂的粉煤灰合成沸石的选取选高转化率沸石样品,一共选两组。第1组为1号合成样品,沸石组分为NaPl沸石65%,方沸石为15%。第2组为2号合成样品,沸石组分为NaPl沸石25%,方沸石55%。

由于从粉煤灰合成沸石是在碱性条件下进行的,而重金属污水处理时,较高的pH值对其有明显的干扰作用。

因此,为了保证处理效果并保证实验中各种处理设计的需要,实验前先将选定的两种合成沸石样品反复用蒸馏水浸泡、洗滤,直至洗液的pH值达到7左右,然后将洗好的合成沸石样品过滤并用烘箱烘干、待用含重金属离子污水的制备含重金属离子污水样采取制备原水样。

分别用分析纯CuSO4(无水)、Pb(NO3)2及CdCl2·2H2O配制含Cu2+、Pb2+、Cd2+的标准溶液。实验中根据不同的需要取这些标准溶液稀释到设计的浓度。

实验方法

实验方法采取批处理振荡试验。即在数个带盖塑料瓶中各盛50mL水样,然后按照不同的实验内容要求,分别滴加含各种金属离子的标准溶液,以达到处理所需的浓度,之后再分别向塑料瓶内投加一定量的合成沸石样品,放在国华THIZ-82恒温振荡器上振荡,待达到一定时间后,在试纸上过滤。取过滤清液分析各种离子的含量吸附时间对吸附效果的影响在温度为25℃和pH值为7条件下,当Cu2+、Pb2+、Cd2+3种离子的原水浓度分别为200mg/L、20mg/、5mg/时,吸附时间分别为0.5h、1.0h、2.0h、3.0h时的吸附效果。

含Cu2+、Pb2+、Cd2+3种离子的原水样经振荡吸附0.5h后,即可使原水中3种重金属离子去除97%以上,振荡3h后溶液中Cu2+、Pb2+、Cd2+离子去除率分别为99.88%、97.45%、98.62%,其浓度即趋于平缓,达到吸附平衡。

根据实验结果,确定吸附平衡时间为3h。
pH值对吸附效果的影响由于OHˉ对重金属离子具有明显的干扰作用,因此pH值对吸附效果的影响实验在中性或酸性溶液中进行。在温度为25℃和pH值为4和7条件下,当Cu2+的原水浓度为200mgL时,经振荡达到吸附平衡。

由表4-84可见,当pH值为4时,经振荡达到吸附平衡时Cu2+的去除率仅为66.80%。当pH值为7时,经振荡达到吸附平衡时Cu2+的去除率即可达到99.88%,说明pH值大小对合成沸石处理含重金属离子污水的去除率有较大影响其去除率随pH值降低而减少,即在酸性条件下,对重金属离子去除效率低,在中性条件下,对重金属离子去除率高。
沸石用量对吸附效果的影响在温度为25℃和pH值为7条件下,当Cu2+的原水浓度为200m/L时,改变沸石投加量分别为0.2g、0.5g、1.0g、1.5g,经振荡达到吸附平衡时的吸附效果。

对同一浓度的原水,合成沸石对Cu2+的去除率随合成沸石用量的增加而增加,当沸石用量由0.2g增加到1.5g时,其去除率由51.00%提高到99.49%。实际上,当沸石用量高于1.0g以上时,即可使去除率达到98%以上。

重金属离子平衡吸附容量当Cu2+、Pb2+、Cd2+3种离子浓度分别为200mgL、20mgL、5mg/L,在温度为25℃和pH值为7条件下,经振荡达到吸附平衡时的吸附效果。

1号和2号合成沸石样品对3种离子的吸附容量分别为Cu2+,9.16~9.95mg/g,平均为9.56mg/g;Pb2+,0.80~0.98mg/g,平均为0.89mg/g;Cd2+,0.25mg/g。

吸附容量大小依次为Cu2+>Pb2+>Cd42+。此外,两组合成沸石对3种离子的吸附效果比较接近，其中,对Cd2+的吸附容量两组沸石一样,均为0.25mg/g;但对Cu2+,2号合成沸石的吸附容量要高于1号合成沸石0.79mg/g;

对Pb2+,2号合成沸石的吸附容量要高于1号合成沸石0.18mg/g。因此总的来看,对3种离子的吸附效果而言,2号合成沸石略优于1号合成沸石与粉煤灰处理重金属离子污水吸附容量的比较当Cu2+浓度为200mgL,在温度为25℃和pH值为7的条件下,经振荡达到吸附平衡时的吸附效果。

粉煤灰对Cu2+的吸附容量为6.49mg/g,与表4-86合成沸石对Cu2+的吸附容量9.16~9.95mg/g相比,低约2.67~3.46mg/go。

以上表明,同等条件下处理重金属离子污水,从粉煤灰合成沸石的吸附容量比粉煤灰高。

用合成沸石处理含重金属离子原水样,0.5h左右即可使原水中的重金属离子去除97%以上,达到吸附平衡所需时间约为3h。

用合成沸石处理含重金属离子污水的去除率大小随pH值降低而降低。

在酸性条件下,合成沸石对重金属离子去除率低。

在中性条件下,合成沸石对重金属离子去除率高。

用合成沸石处理含重金属离子污水的去除率大小随合成沸石用量增加而增加:用量愈大,去除率愈大;用量愈小,去除率愈小。