改性凹凸棒土结合PAM处理含镍离子废水的研究

摘　要：本文主要在于研究热活化结合微波改性凹凸棒土对水溶液中镍离子的吸附性能与条件，以及凹凸棒土悬浮液的絮凝沉降条件，将吸附和絮凝这两个过程结合起来形成吸附-絮凝处理污水的新工艺，为凹凸棒土在废水处理，特别是重金属废水处理的进一步利用提供理论依据和工艺参数。同时，由于单纯的凹凸棒土处理重金属离子废水固-液分离困难，去除效率不高，因此采用微波改性凹凸棒土结合聚丙烯酰胺(PAM)的吸附-絮凝工艺来避免该缺点。在合成有机高分子絮凝剂中聚丙烯酰胺(PAM)的应用是最多的。

关键词：凹凸棒土；PAM ； 处理； 含镍离子
随着社会的发展,镍越来越多的应用到社会的各个领域,镍及其氧化物的良好化学物理特性,使得镍工业飞速发展，获得了许多高性能,高经济效益的含镍器件。随之带来的就是含镍废水对环境的严重污染和镍资源的大量浪费,同时随着电子行业的发展,废镍铁合金磁性材料越来越多,也是目前急需解决的一个环保课题。同时,含镍废水也越来越多,且有相当部分以废水的形式放掉,既浪费了资源,又严重污染了环境。怎样处理和综合利用这些废水,也是目前急需解决的一个环保课题。
一、课题的研究内容
　　因为凹凸棒土原土的去除能力有限，所以现在有很多关于凹凸棒土的改性研究，在本实验中之所以采用微波改性，微波加热的特点是可在受热物体不同深度产生热，可以使加热更快速更均匀，缩短加热时间。微波能够加快多孔介质内部的传质速度，消除内扩散的影响，并且受热物体不用以水溶液为介质，在液态下处理，过滤洗涤相对而言比较容易，简化了操作过程，节省了能源。
　　在本实验中，先对凹凸棒土的投加量、pH值、搅拌时间、静置时间、温度等因素对去除镍离子效果的影响进行单因素实验，在得出最佳工艺条件后，再研究凹凸棒土与PAM是否有协同作用。
二、工艺流程
　　用凹凸棒结合PAM的吸附-絮凝工艺来处理重金属废水，采用如下工艺：
　　
三、影响镍离子的去除率的因素
3.1 搅拌时间
　　在6个烧杯中分别加入100ml45mg/L样品溶液，凹凸棒土投加量为10g/L，静置时间是7h，改变搅拌时间为10min，20min，30min，60min，90min，120min。分别测其吸光度，并从标准曲线上找出对应的浓度后，与初始浓度进行比较计算出去除率。
对于45mg/L的模拟废水，凹凸棒土用量为10g/L，当搅拌时间增加，镍离子的去除率也增加，但增加到90min后，去除率不再增加。这说明凹凸棒土在搅拌的情况下，90min时镍离子的交换和吸附基本达到了饱和。
3.2 改性凹凸棒土的加入量
　　在5个烧杯中分别加入100ml45mg/L样品溶液，搅拌时间为90min，静置时间是7h，改变凹凸棒土投加量为5g/L，10g/L，15g/L，20g/L，25g/L。分别测其吸光度，并从标准曲线上找出对应的浓度后，与初始浓度进行比较计算出去除率。对于45mg/L的模拟废水，随着改性凹凸棒土的加入，的去除率逐渐升高，加入量为15g/L时，的去除率已达88.867%；再继续增加凹凸棒土的用量，去除率反而有所下降，这可能与加入过多的凹凸棒土后，加速了沉降行为，吸附接触面因而有所减小所致；同时随着凹凸棒土的添加量的增加，单位吸附量明显下降。因此，选用的改性凹凸棒土用量为15g/L。
3.3 静置时间
　　由于搅拌后有个沉降过程，溶液由刚搅拌结束时的混浊状态到有明显的分层现象是需要一段时间的。因此这个因素的研究也是不可或缺的。
　　在7个烧杯中分别加入100ml45mg/L样品溶液，搅拌时间为90min，凹凸棒土投加量15g/L，改变静置时间为0.5h，1h，2h，3h，5h，7h，9h。分别测其吸光度，并从标准曲线上找出对应的浓度后，与初始浓度进行比较计算出去除率。对于45mg/L的模拟废水，搅拌时间为90min，凹凸棒土投加量为15g/L时，静置时间的不同对去除率也有影响，随着静置时间的延长，镍离子的去除率有明显的增加，实验中亦发现反应后的凹凸棒石黏土很长一段时间都呈现悬浮状，而且测得在一段时间内上清液的吸光度有较显著的变化，这可能是由于凹凸棒土颗粒微小，难以快速下沉造成的，给以足够的时间，凹凸棒土即可充分的与镍离子接触，使得去除率得到提高。因此，选定同一静置时间7h。
3.4 pH值
　　pH值是影响改性凹凸棒土吸附重金属离子的主要因素，不同的重金属离子的去除都有自身适宜的pH值范围。
　　在6个烧杯中分别加入100ml45mg/L样品溶液，凹凸棒土投加量为15g/L，搅拌时间为90min，，静置时间是7h，调溶液PH为2.81，4.98，7.01，9.00，10.01，11.02。分别测其吸光度，并从标准曲线上找出对应的浓度后，与初始浓度进行比较计算出去除率。随着pH的增大，离子的去除率的也增加。但是pH在3.0～5.0时增长幅度较小 ，当pH增加到7.0时，去除率有了明显的增大，随着pH的继续增加，去除率增长渐缓。这是因为凹凸棒土吸附的驱动力源于断键或晶格产生的永久负电荷，凹凸棒化学组成以为主，表面含有Si-OH基，在碱性环境中易电离，使土表面的负电荷增加，此外溶液中的OH-增多，它以氢键吸附于土表面，使凹凸棒土表面的负电荷增加，从而增加凹凸棒土对镍离子的交换容量。另一方面，pH值提高到一定值时，pH值影响被吸附化合物或离子的存在状态，使镍向有利于提高其去除率的方向转化，镍离子与OH-形成沉淀。因此凹凸土既有对金属离子的吸附作用和交换作用，又有金属氢氧化物沉淀作用，故有较高的去除率。可见对于带有永久性负电荷的粘土矿物类、架状硅酸盐类等，pH值对CEC影响非常明显。当pH大于10.0时，除镍的效率有所下降，原因可能为pH值增高时，碱性环境中，生成了的缘故。同时，在镍离子废水中逐滴加入碱性溶液，亦会发现有少量的沉淀形成。所以最佳pH范围为9～10，本文选定10。
3.5  温度
　　在5个烧杯中分别加入100ml45mg/L样品溶液，凹凸棒土投加量为15g/L，搅拌时间为90min，静置时间是7h，pH为10.00，分别设置温度为20℃，40℃，50℃，60℃，80℃。分别测其吸光度，并从标准曲线上找出对应的浓度后，与初始浓度进行比较计算出去除率。到温度为60℃时，镍离子去除率最高为97.311%，<60℃时，镍离子的去除率随着温度升高而升高，>60℃时，去除率又随之下降，这可能是由于高温破坏了凹凸棒土的晶体结构，导致吸附率下降。所以选择最佳温度为60℃。
3.6 凹凸棒土与PAM的协同作用
　　PAM能使悬浮物质通过电中和、架桥吸附等起絮凝作用。由于单纯的凹凸棒土处理重金属 离子废水固-液分离困难，去除效率不高，因此采用微波改性凹凸棒土结合聚丙烯酰胺(PAM)的吸附-絮凝工艺来避免该缺点。
四、 结论
　　1.热活化结合微波改性凹凸棒土是吸附重金属离子的有效吸附交换剂，其吸附机理主要是离子交换和表面配位吸附的共同作用。用热活化结合微波改性凹凸棒土结合PAM处理含镍废水是可行的，该方法能有效地去除废水中的镍离子，达到减轻它对水体污染的目的。而且凹凸棒土属于廉价土，少量的经济投入就能得到可观的去除效率。
　　2.热活化结合微波改性凹凸棒土结合PAM处理含Ni2+离子废水的最佳实验条件为：对于45mg/L的模拟废水，pH值控制在10附近，凹凸棒土投加量为15g/L，搅拌时间为90min，静置时间为7h，PAM的投加量为2mg/L。
　　3.通过等温吸附试验可知，热活化结合微波改性凹凸棒土结合PAM对镍离子的吸附行为遵循Langmuir方程，饱和吸附量为2.995mg/g，去除率达到99.711%，出水可达到国家排放标准。
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