钢渣-锰渣复合陶粒对Cu<sup>2+</sup>的吸附机理研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-1103

摘要/Abstract

摘要：

制备了钢渣-锰渣复合陶粒，研究其对含Cu²⁺水溶液的吸附特性。考察了钢渣-锰渣复合陶粒的材料配比、实验温度、吸附时间、搅拌速度、Cu²⁺初始质量浓度对吸附效果的影响，研究了钢渣-锰渣复合陶粒吸附Cu²⁺的等温模型和动力学模型。同时用XRD、XRF、SEM、BET对该复合陶粒进行表征，讨论钢渣-锰渣复合陶粒对Cu²⁺的吸附机理。结果表明，复合陶粒中含有大量硅酸化合物和碱性氧化物，同时具有较大的表面积，水解后对Cu²⁺有较强的吸附能力。钢渣、锰渣的最佳质量比为5∶5；温度对Cu²⁺的吸附过程影响较小。吸附过程中，搅拌速度在100~300 r/min范围内时，去除率随搅拌速度的增加而显著上升。平衡吸附时间为30 min，吸附效果最佳的Cu²⁺初始质量浓度为500 mg/L，初始质量浓度超过500 mg/L后，Cu²⁺去除率随初始质量浓度的升高而显著下降。钢渣-锰渣复合陶粒对Cu²⁺的吸附过程为单层吸附，其吸附过程符合Langmuir等温吸附模型。吸附过程中理论最大饱和吸附量为83.3 mg/g，实际最大饱和吸附量为80.69 mg/g。钢渣-锰渣复合陶粒吸附Cu²⁺符合准二级动力学模型，其吸附过程以化学吸附为主。

关键词: 钢渣, 锰渣, Cu²⁺, 陶粒, 吸附

Abstract:

Steel slag-manganese slag composite ceramsite were prepared to study the adsorption characteristics of Cu²⁺containing aqueous solution. The effects of material ratio， experimental temperature， adsorption time， stirring speed and initial mass concentration of Cu²⁺ on the adsorption rate of steel slag-manganese slag composite ceramsite were investigated， and the isothermal and kinetic models of Cu²⁺ adsorption by steel slag-manganese slag composite ceramsite were studied. The composite ceramsite were also characterized by XRD， XRF， SEM and BET， and the adsorption mechanism of Cu²⁺on steel slag-manganese slag composite ceramsite was discussed. The results showed that the composite ceramsite contained a large number of silicate compounds and basic oxides， and also had a large surface area. After hydrolysis， the ceramsite had a strong adsorption capacity for Cu²⁺. The optimal mass ratio of steel slag and manganese slag was 5∶5. The temperature has less influence on the adsorption process of Cu²⁺. During the adsorption process， the removal rate increased significantly with the increase of stirring speed when the stirring speed was in the range of 100-300 r/min. The equilibrium adsorption time was 30 minutes， and the initial mass concentration of Cu²⁺ with the best adsorption effect was 500 mg/L. After the initial mass concentration exceeded 500 mg/L， the removal rate of Cu²⁺decreased significantly with the increase of the initial mass concentration. The adsorption process of Cu²⁺ by steel slag-manganese slag composite ceramics was monolayer adsorption， and its adsorption process was in accordance with Langmuir isothermal adsorption model. The theoretical maximum saturated adsorption amount was 83.3 mg/g and the actual maximum saturated adsorption amount was 80.69 mg/g during the adsorption process. The adsorption of Cu²⁺ by steel slag-manganese slag composite ceramsite was in accordance with the quasi-secondary kinetic model， and its adsorption process was mainly chemisorption.

Key words: steel slag, manganese slag, Cu²⁺, ceramsite, adsorption

中图分类号:

李子木, 李灿华, 查雨虹, 李明晖, 都刚. 钢渣-锰渣复合陶粒对Cu²⁺的吸附机理研究[J]. 工业水处理, 2022, 42(8): 113-119.

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I8/113

图/表 16

表1 钢渣和锰渣的主要成分及质量分数 (%)

Table 1 Main components and mass fraction of steel slag and manganese slag

项目	CaO	SiO₂	Fe₂O₃	Al₂O₃	MgO	MnO	P₂O₅	TiO₂
钢渣	42.59	17.05	16.33	10.78	5.83	2.55	1.81	1.76
锰渣	0.829	33.63	19.98	33.38	1.16	5.91	1.20	1.84

图1 钢渣（a）、锰渣（b）和钢渣-锰渣复合陶粒（c）的XRD谱图

Fig. 1 XRD of steel slag（a）， manganese slag（b） and steel slag-manganese slag composite ceramsite（c）

表2 BET数据 (Sample BET data)

Table 2

项目	钢渣	锰渣	复合陶粒B5
比表面积/（m²·g^-1）	5.596	19.512	22.234
孔容/（cm³·g^-1）	0.015	0.042	0.054

图2 钢渣-锰渣复合陶粒的吸附-脱附曲线

Fig. 2 Adsorption-desorption curve of steel slag-manganese slag composite ceramsite

图3 吸附前（a）和吸附后（b）复合陶粒的SEM照片

Fig. 3 SEM of ceramsite before adsorption（a） and after adsorption（b）

表3 不同配比钢渣-锰渣复合陶粒对Cu²⁺的吸附效果

Table 3 The effect of steel slag-manganese slag composite ceramsite with different proportions on the adsorption of Cu²⁺

m（钢渣）∶m（锰渣）	剩余铜质量浓度/（mg·L^-1）	去除率/%
10∶0	77.03	84.59
9∶1	15.7	96.86
8∶2	76.14	84.77
7∶3	53.91	89.22
6∶4	32.68	93.46
5∶5	14.75	97.05
4∶6	53.49	89.30
3∶7	106.49	78.70
2∶8	178.2	64.36
1∶9	318.27	36.35
0∶10	470	6

表4 吸附时间对钢渣-锰渣复合陶粒吸附Cu²⁺效果的影响

Table 4 The effect of adsorption time on the adsorption of Cu²⁺ by steel slag-manganese slag composite ceramsite

吸附时间/min	剩余铜质量浓度/（mg·L^-1）	去除率/%
1	356.55	29
3	314.46	37
6	238.14	52
10	135.28	73
15	70.1	86
20	36.4	93
25	24.86	95
30	0.11	100
35	0.02	100

表5 温度对钢渣-锰渣复合陶粒吸附Cu²⁺的影响

Table 5 The effect of reaction temperature on the adsorption of Cu²⁺ by steel slag-manganese slag composite ceramsite

温度/℃	剩余铜质量浓度/（mg·L^-1）	去除率/%
25	4.773	99.04
35	0.588	99.88
45	0.422	99.91
50	0.364	99.93
60	0.112	99.98
65	0.149	99.97

表6 搅拌速度对钢渣-锰渣复合陶粒吸附Cu²⁺的影响

Table 6 The effect of stirring speed on the adsorption of Cu²⁺ by steel slag-manganese slag composite ceramsite

搅拌速度/（r·min^-1）	剩余铜质量浓度/（mg·L^-1）	去除率/%
100	193.2	61.36
150	101.81	79.64
200	53.65	89.27
250	25.91	94.82
300	0.21	99.96
350	0.10	99.98
400	0.01	100
450	0.005	100

表7 初始质量浓度对钢渣-锰渣复合陶粒吸附Cu²⁺的影响

Table 7 The effect of initial mass concentration on the adsorption of Cu²⁺ by steel slag-manganese slag composite ceramsite

初始质量浓度/（mg·L^-1）	剩余铜质量浓度/（mg·L^-1）	去除率/%
200	0.23	100
300	0.24	100
400	2.21	99
500	2.51	99
600	29.82	95
700	55.28	92
800	80.96	90

图4 Cu²⁺的等温吸附曲线

Fig. 4 Cu²⁺ adsorption isotherm curve

图5 Langmuir等温吸附方程（a）和Freundlich等温吸附方程（b）

Fig. 5 Langmuir isotherm adsorption equation（a）and Freundlich isotherm adsorption equation（b）

表8 等温吸附方程中的参数

Table 8 Parameters in isothermal adsorption equation

等温吸附模型	参数	数值
Langmuir等温吸附模型	K _L/（L·mg^-1）	2.80
	q _max/（mg·g^-1）	83.3
	R ²	0.99
Freundlich等温吸附模型	K _F/〔mg·g^-1·（L·mg^-1） $1 n$ 〕	50.07
	n	9.44
	R ²	0.46

表8 等温吸附方程中的参数

Table 8 Parameters in isothermal adsorption equation

等温吸附模型	参数	数值
Langmuir等温吸附模型	K _L/（L·mg^-1）	2.80
	q _max/（mg·g^-1）	83.3
	R ²	0.99
Freundlich等温吸附模型	K _F/〔mg·g^-1·（L·mg^-1） $1 n$ 〕	50.07
	n	9.44
	R ²	0.46

图6 准一级动力学模型（a）和准二级动力学模型（b）拟合曲线

Fig. 6 Fitting curves of quasi-first-order kinetic model（a）and quasi-second-order kinetic model（b）

表9 动力学模型参数

Table 9 Parameters in the kinetic model

项目	参数	数值
准一级动力学模型	k ₁/min^-1	0.21
	q _e/（mg·g^-1）	33.93
	R ²	0.97
准二级动力学模型	k ₂/（g·mg^-1·min^-1）	0.01
	q _e/（mg·g^-1）	33.78
	R ²	0.99

表10 吸附剂浸出重金属含量 (mg/L)

Table 10 Heavy metal content by TCLP method

项目	Cr	Hg	Cu	Zn	Pb
A	nd	nd	nd	nd	nd
B1	0.008 3	nd	0.000 20	nd	nd
B2	0.020	nd	nd	nd	nd
标准阈值	10	0.05	50	50	3

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