钢渣对含磷废水及染料废水的吸附性能及推广思考

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论文字数:51255 论文编号:sb2021071215524636330 日期:2021-08-07 来源:硕博论文网
笔者经过研究,得出如下结论:1)联合采用 SEM、EDS、XRF、FTIR 和 XRD 技术对钢渣原料进行了表征。结果表明钢渣表面有明显的凹凸的褶皱,褶皱增加了比表面积,使吸附性能得到增强;检测到的 Ca、Fe、Al、Mg 和 Si 等元素已被证实具有较强的亲和力;钢渣中含有CaCO3、SiO2、Fe2O3、Fe3O4、Ca2SiO4、Ca3SiO5、Ca(OH)2、Al2Si2O5(OH)2、FeCO3、Fe 等物质,物相复杂。钢渣浸出液中的 Fe、Cu、Zn、Se、As、Hg、Pb 和 Cd 的含量均符合地表水Ⅰ类标准要求,实验所用电炉钢渣安全可靠。

第 1 章 绪论

1.1 含磷废水的排放与治理
人类的活动会严重影响水质的变化。其中水体的磷污染问题越来越突出,越来越受到重视。水生生物的生命活动中磷元素是不可或缺的,同时水体富营养化也主要是受到磷元素的影响[1]。我国湖泊等水域中的磷含量近年来大幅下降[2],但是随着城市化进程的推进和工农业的迅速发展,我国地表水体磷污染形势依然严峻。2018~2019年公布的全国地表水质量状况中 TP 为主要污染指标之一[3,4]。因此,水中磷污染的防控和治理已成为国内外水质污染防治管理领域的重要研究课题。
1.1.1 水体中磷的来源及危害
水体中磷元素以正磷酸盐、缩合磷酸盐以及有机磷等形态赋存[5],主要来源于农业面源、城镇生活污水、畜禽养殖废水及工业污水[6,7]。研究表明,导致水体富营养化的主控因子是磷元素[8],当水体中磷浓度超过 0.02 mg·L-1时,富营养化进程便会加速,进一步导致水质的恶化和水生生态系统的破坏,最终危及人类健康[9]。根据《2019 年中国生态环境状况公报》可知导致太湖、巢湖和滇池为轻度富营养状态的主要污染为 TP[4]。水体的富营养化使水中藻类增殖,覆盖水面,消耗大量溶解氧,使水生动物和植物死亡;同时厌氧细菌在无氧条件下大量繁殖,分解蓄积的有机物并产生有害气体和生物毒素,破坏水生生态平衡[10]。
表 2-1 水泥的主要性能参数
表 2-1 水泥的主要性能参数
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1.2 染料废水的排放与治理
据相关统计,我国纺织染料废水排放量每年超过 20 亿吨,占全国废水排放的11%。近年来随着我国环境保护政策的提升,纺织染料废水的治理已成为产业持续发展的关键[18]。长期以来,染料产业作为高污染产业之一,染料废水的排放对环境和生物产生了很多有害的影响。污染物浓度高、种类繁杂、有毒有害成分含量多和色度高是染料废水的显著特性[19]。无害化处理染料废水一直是染料行业和环境保护部门的焦点。
1.2.1 染料废水中色度的来源及危害
在工业生产中各类染料主要应用在各类纤维和材料的染色和印花[20]。染料废水中残留的染料是导致水质色度偏高的主要原因。纺织行业是染料废水的主要来源,其次是印染行业,造纸和纸浆行业、制革和油漆行业和染料制造业紧随其后。其中,纺织工业的废水中含有不同类型的染料和其他有机和无机污染物。
水生植物等通过光合作用在生成满足自己需求的营养素的同时,可为其他生物提供生长所需的溶解氧,植物也是生物的营养来源(草食动物)。染料释放到水体后,致使水域的透明度下降,导致色度增加。光被水中的染料吸收,不能进入水域内部,致使植物不能进行光合作用。水生动物、植物和微生物的生长受到直接影响,严重影响着水体的自我净化。水中的植物随着时间的推移会逐渐死亡,其他生物也随之减少,最终破坏生态平衡[21]。
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第 2 章 钢渣原料的来源与表征

2.1 钢渣原料的来源
本次实验钢渣样品采集于河北唐山某钢厂的电炉渣,样品采集后置入携带的密封样品袋之中,送往实验室经球磨机研磨、筛选等过程后选用实验所需粒径的钢渣作为吸附基质。实验前首先用去离子水浸泡钢渣 30min、漂洗后经热鼓风干燥箱 105℃烘干,冷却后装入密封样品袋中备用。
图 2-1 粒径为 8~12 mm 的钢渣原料 SEM 图
图 2-1 粒径为 8~12 mm 的钢渣原料 SEM 图

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2.2 实验方法
2.2.1 表征方法
利用 X 射线衍射仪(XRD)(Ultima IV,日本理学公司)测试样品的晶型及组成。利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)(Nicolet6700/FT-Ramanmodules,美国热电公司)来检测样品的组成;利用扫描电镜仪(SEM)(Hitachisu-8020,日本日立公司)检测样品微观结构及变化;使用能量色散 X 射线能谱仪(EDS)(EDAXGenesis2000,美国伊达克斯公司)对样品元素进行解析;利用 X 射线荧光光谱仪(XRF)(ZSXPrimus Ⅱ,日本理学公司)对样品进行定性半定量分析。
2.2.2 钢渣安全性能评估方法
吸附材料的使用以不产生二次污染为前提,由于钢渣材料中含有微量的重金属,其被应用于废水处理中时应考虑其安全性。本实验按照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法(HJ 557—2010)》要求对钢渣中可浸出的有毒重金属含量进行确定。烘干后的钢渣与浸提剂按固液比 10:10(kg:L)加入提取瓶中,在室温下经振荡、静置后用 0.45μm 微孔滤膜过滤并收集浸出液。检测浸出液中 Fe、Cu、Zn、Se、As、Hg、Pb 和 Cd 的含量。
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第 3 章 钢渣对水中磷的吸附性能及机制研究·····················15
3.1 材料与方法····························15
3.1.1 实验药品及仪器··························15
3.1.2 钢渣样品 ················16
第 4 章 钢渣对染料废水的吸附性能研究·····························29
4.1 材料与方法····························29
4.1.1 实验仪器及药品··························29
4.1.2 钢渣样品 ·····················30
第 5 章 改性钢渣对染料废水吸附性能研究·························73
5.1 材料与方法···························73
5.1.1 实验仪器及药品···························73
5.1.2 钢渣样品 ·······················73

第 5 章 改性钢渣对染料废水吸附性能研究

5.1 材料与方法
5.1.1 实验仪器及药品
实验所需的仪器及药品同 4.1.1。
5.1.2 钢渣样品
实验所选用的钢渣原料经球磨处理,筛滤得到粒径小于 200 目的钢渣用于本实验研究。
5.1.3 LDHs 的合成
参照陈艳等[69]和 Pereira 等[70]的合成路径,将 20 g 钢渣放入 1000 mL 烧杯中,同时按质量比 25:1(g:g)在烧杯中加入物质的量浓度为 6mol·L-1醋酸,在恒温 90℃的条件下搅拌 120min,过滤得到滤液。在滤液中加入 2.0g 固体氢氧化铝,之后用 1mol·L-1的氢氧化钠调控体系 pH 至 12.0,将 50mL 该溶液转移到 100mL 带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热合成釜中,在 150℃下晶化 16h,待冷却后,离心、洗涤至中性并在 80℃干燥 12 h,得到多元 LDHs 吸附剂。
5.1.4 染料废水配置
染料废水的配置:称取 1.0g 亚甲基蓝染料溶于水中,转移至 1000mL 容量瓶中并加水稀释至标线。此溶液为 1000 mg·L-1的亚甲基蓝贮备液。按需配置染料废水,分别稀释至 10、50 和 100 mg·L-1,最终的 pH 调节至 7。
5.1.5 吸附时间及初始浓度对多元 LDHs 吸附亚甲基蓝的影响
称取 1.0 g 的多元 LDHs 置于 250 mL 锥形瓶中,分别量取 Co为 10、50 和 100mg·L-1的 100 mL 模拟废水于锥形瓶中,橡胶塞封紧锥形瓶瓶口。将其放入 25℃、150r·min-1的温控振荡培养箱中,分别设置不同的吸附时间进行反应。结束后,经 0.45μm 滤膜过滤其上清液,通过吸光度的测定,计算对应的浓度和脱色率 α。每组实验均设置 3 个平行。
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结论


本项目基于钢渣自身特有的理化性质及其优异的吸附性能,以钢渣为吸附基质探究其对废水中磷、酸性染料和碱性染料的吸附性能及吸附机制。并对钢渣进行改性,测定以钢渣为原料制备的多元LDHs对染料废水的吸附性能,以扩大其适用范围。并对以钢渣为原料制备的多元LDHs对其吸附性能及吸附机制进行测定,得出如下结论:
1)联合采用 SEM、EDS、XRF、FTIR 和 XRD 技术对钢渣原料进行了表征。结果表明钢渣表面有明显的凹凸的褶皱,褶皱增加了比表面积,使吸附性能得到增强;检测到的 Ca、Fe、Al、Mg 和 Si 等元素已被证实具有较强的亲和力;钢渣中含有CaCO3、SiO2、Fe2O3、Fe3O4、Ca2SiO4、Ca3SiO5、Ca(OH)2、Al2Si2O5(OH)2、FeCO3、Fe 等物质,物相复杂。钢渣浸出液中的 Fe、Cu、Zn、Se、As、Hg、Pb 和 Cd 的含量均符合地表水Ⅰ类标准要求,实验所用电炉钢渣安全可靠。
2)钢渣对初始浓度为 1、5、10 和 20mg·L-1的磷酸盐溶液的去除均呈前期快速增加,后期趋于平缓的规律,30 min 为最优吸附时间,除磷率可达到 97%以上;当温度由 25℃降低至 4℃,去除率整体呈降低下降,但各组的 PO43-去除率均达 96%;随着 pH 由中性下降至酸性磷去除率下降,pH 由中性上升至碱性后磷去除率在 9.0时先升高,之后在 11.0 处减小;基于物质结构的差异性,钢渣对正磷酸盐的吸附能力优于焦磷酸盐,吸附时间 60 min 时,钢渣对 3 mg·L-1的焦磷酸盐的去除率仅为82.45%;基于 SEM、EDS、XRF 和 XRD 光谱分析,钢渣除磷的主要机制为化学吸附并辅以物理吸附,形成的磷酸类化合物沉淀以 Ca-P 为主,主要成分为CaHPO4·2H2O;生物池出水经钢渣处理 TP 浓度由 1.22 mg·L-1降至 0.02 mg·L-1,去除率达 98.36%,经钢渣处理后湿地系统中 TP 浓度由 0.15 mg·L-1下降至 0.01 mg·L-1,磷去除率为 93.33%,显著优于原始的湿地系统除磷效率(磷去除率 20%)。相同运行条件下,不同吸附材料对 PO43-的去除率为:钢渣(96%)>陶粒(40%)>沸石(10%)。
3)以钢渣为基质,分别探讨吸附时间、初始浓度、吸附温度、钢渣粒径和投加量对钢渣吸附染料废水性能的影响。结果表明:钢渣对酸性品红、刚果红及碱性品红表现出了优异的吸附性能,随着吸附时间的延长钢渣对不同初始浓度的酸性品红、刚果红及碱性品红的脱除效率均可达到 94%以上;钢渣对初始浓度为 10、50 和 100mg·L-1新胭脂红的脱色率均随吸附时间延长而增加,最高脱色率分别为88.56%、72.06%和 67.62%;钢渣对甲基橙及亚甲基蓝的吸附效果最差,初始浓度越高吸附效果越差,对初始浓度为 10 mg·L-1的甲基橙及亚甲基蓝最大脱色率分别为 40.78%和 37.77%。
参考文献(略)


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