改性含铝废渣对水中重金属镍的吸附行为

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-1219

摘要/Abstract

摘要：

采用Ca（OH）₂对含铝废渣（RAS）进行改性，制备改性含铝废渣（MAS），考察MAS对重金属镍的吸附效果，并利用FT-IR、比表面积分析仪、SEM、XRF等对MAS的结构、形貌进行表征。结果表明：经Ca（OH）₂改性制备的MAS对Ni²⁺的去除效果优于其他吸附材料；在25 ℃时，当MAS投加量为1.0 g、Ni²⁺初始质量浓度为40 mg/L、pH=5、吸附时间为40 min时，MAS对Ni²⁺的平衡吸附量为3.983 mg/g，Ni²⁺去除率为99.65%，达到《铜、镍、钴工业污染物排放标准》（GB 25467—2010）的排放要求（总镍<0.5 mg/L）。MAS对Ni²⁺的吸附符合二级动力学规律和Langmuir等温吸附模型。Weber-Morris内扩散模型说明，MAS对Ni²⁺的吸附是由膜扩散和内扩散共同控制的。改性后的MAS相较于RAS颗粒更细、比表面积更大、孔径分布更广，对Ni²⁺的吸附作用更强。MAS对Ni²⁺的吸附是物理吸附和化学吸附复合作用的过程，MAS对Ni²⁺的去除还存在共沉淀、络合和离子交换作用。

关键词: 碱改性, 氢氧化钙, 含铝废渣, 镍, 吸附, 重金属废水

Abstract:

Modified aluminum slag（MAS） was prepared by modifying raw aluminum slag（RAS） with Ca（OH）₂. Its adsorption effect on heavy metal nickel was investigated，and its structure and morphology were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy，specific surface area analyzer，scanning electron microscope，X-ray fluorescence spectroscopy，etc. The results showed that the removal effect of MAS modified by Ca（OH）₂ on Ni²⁺ was better than that of other adsorption materials. Under the condition of 25 ℃，MAS dosage 1.0 g，the initial mass concentration of Ni²⁺ 40 mg/L，pH=5，and the adsorption time 40 min，the equilibrium adsorption capacity was 3.983 mg/g，and the Ni²⁺ removal rate was 99.65%，meeting the emission requirements of the Emission Standard of Industrial Pollutants of Copper，Nickel and Cobalt（GB 25467—2010）（total nickel <0.5 mg/L）. The adsorption trend of Ni²⁺ on MAS conformed to the second-order kinetic law and Langmuir isothermal adsorption model. Weber-Morris internal diffusion model showed that the adsorption rate of MAS on Ni²⁺ was a process of mutual control between membrane diffusion and internal diffusion. Compared with RAS，MAS had finer particles，larger specific surface area，wider pore size distribution and stronger adsorption on Ni²⁺. The adsorption of Ni²⁺ by MAS was a composite process of physical adsorption and chemical adsorption. The removal of Ni²⁺ by MAS also had co-precipitation，complexation and ion exchange.

Key words: alkali modification, Ca（OH）₂, aluminum containing waste residue, nickel, adsorption, heavy metal wastewater

中图分类号:

X703.1
TQ424

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I10/146

图/表 14

图1 不同MAS投加量对Ni²⁺去除效果的影响

Fig. 1 Effect of different MAS dosage on Ni²⁺ removal

图2 不同初始pH对Ni²⁺去除效果的影响

Fig. 2 Effect of different initial pH on Ni²⁺ removal

图3 Ni²⁺初始质量浓度对MAS去除Ni²⁺效果的影响

Fig. 3 Effect of initial mass concentration of Ni²⁺ on removal of Ni²⁺ by MAS

图4 不同时间下MAS对Ni²⁺的吸附效果

Fig. 4 Adsorption effect of Ni²⁺ on MAS at different times

表1 MAS吸附Ni²⁺的动力学模型参数

Table 1 Kinetic model parameters of Ni²⁺ adsorbed by MAS

吸附剂	q _e/（mg·g^-1）	一级动力学			二级动力学
吸附剂	q _e/（mg·g^-1）	k ₁/min^-1	q _e，c/（mg·g^-1）	R ²	k ₂/（g·mg^-1·min^-1）	q _e，c/（mg·g^-1）	R ²
MAS	3.983	0.275	3.491	0.988	0.170	4.071	0.999

表2 不同材料对Ni²⁺的吸附性能对比

Table 2 Comparison of Ni²⁺ adsorption performance of different materials

吸附剂	投加量/（g·L^-1）	反应时间/h	Ni²⁺初始质量浓度/（mg·L^-1）	Ni²⁺最大吸附量/（mg·g^-1）	参考文献
活性炭	2	3.00	4	0.380	〔16〕
磁改性海泡石	10	2.00	50	2.950	〔17〕
盐酸改性海泡石	10	1.50	50	2.400	〔18〕
天然沸石	60	0.42	119.27	1.520	〔19〕
碱改性污泥陶粒	28	3.00	10	0.370	〔20〕
碱改性铝渣MAS	10	1.00	40	3.983	本研究

图5 MAS吸附Ni²⁺的Weber-Morris内扩散模型

Fig. 5 Weber-Morris internal diffusion model for the adsorption of Ni²⁺ on MAS

表3 MAS吸附Ni²⁺的动力学特性参数

Table 3 Kinetic characteristic parameters for the adsorption of Ni²⁺ on MAS

Weber-Morris内扩散模型参数	K ₁/（mg·g^-1·min^-0.5）	K ₂/（mg·g^-1·min^-0.5）	K ₃/（mg·g^-1·min^-0.5）
拟合数值	0.943	0.837	0.002

图6 MAS对Ni²⁺的吸附等温线

Fig. 6 Isothermal adsorption of Ni²⁺ by MAS

表4 MAS吸附Ni²⁺的等温式参数

Table 4 Isothermal adsorption parameters of Ni²⁺ by MAS

吸附剂	Langmuir			Freundlich
吸附剂	Q ₀/（mg·g^-1）	b/（L·mg^-1）	R ²	K/（L·g^-1）	n	R ²
MAS	17.94	0.694	0.934	9.384	6.13	0.917

图7 Ca（OH）₂和吸附前后的RAS、MAS的FT-IR

Fig. 7 FT-IR patterns of Ca（OH）₂，RAS and MAS before and after adsorption

图8 RAS、吸附前后MAS的元素组成及物质组成

Fig. 8 Elemental and material composition of RAS，MAS before and after adsorption

表4 RAS和MAS的比表面积和孔径特性

Table 4 Specific surface and pore size characteristics of RAS and MAS

材料	比表面积/（m²·g^-1）	孔径/nm	孔容/（cm³·g^-1）
RAS	4.182 0	10.111 3	0.009 529
MAS	17.870 8	8.690 8	0.046 745

图9 RAS（a）和MAS（b）的SEM

Fig. 9 SEM patterns of RAS（a） and MAS（b）

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