天然沸石具有廣泛的用途,但其開采由于要受到沸石含量和選礦方法的限制。因此,為了充分利用沸石的性能,人們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等工業原料,然而價格昂貴,不易形成規模生產。后來,人們發現電廠粉煤灰中含有SiO2和Al2O3,所以嘗試利用從粉煤灰中合成沸石。
通過研究不難看出,所選用的粉煤灰合成沸石,不僅粉煤灰轉化為合成沸石效率高,而且對重金屬離子的吸附容量也較粉煤灰高。
利用粉煤灰合成沸石的方法是水熱合成法,其原料除粉煤灰外,主要輔料為堿和水,合成工藝和原料均較簡單,利用粉煤灰合成沸石成本增加不多,但卻増加了粉煤灰的科技含量和附加值,拓展了粉煤灰的用途,并為人工合成沸石找到了一種廉價的原料。就其自身經濟價值而言,每噸粉煤灰的售價約為幾十元,但合成沸石后其售價即可達到數百元,甚至上千元粉煤灰是以煤為燃料火電廠排放的固體廢物,其處置與利用一直是人們關注的課題。
自1985年 Holler利用粉煤灰在水熱條件下合成人工沸石以來,人們對利用粉煤灰合成沸石并將之應用于重金屬污水處理進行了不斷的探索,不僅為粉煤灰的處置和利用找到了一條新途徑,而且也為污水處理開發出了一種新型處理材料。
專家在研究中,首先利用我國華中地區某熱電廠的粉煤灰在水熱條件下合成得到了幾組沸石樣品,然后選用含沸石量較高的樣品分別對含有Cu2+、Pb2+、Cd2+3種重金屬離子的污水進行處理,獲得了滿意的效果。
粉煤灰的選取合成沸石所用粉煤灰選我國華中地區某熱電廠的粉煤灰合成沸石的選取選高轉化率沸石樣品,一共選兩組。第1組為1號合成樣品,沸石組分為NaPl沸石65%,方沸石為15%。第2組為2號合成樣品,沸石組分為NaPl沸石25%,方沸石55%。
由于從粉煤灰合成沸石是在堿性條件下進行的,而重金屬污水處理時,較高的pH值對其有明顯的干擾作用。
因此,為了保證處理效果并保證實驗中各種處理設計的需要,實驗前先將選定的兩種合成沸石樣品反復用蒸餾水浸泡、洗濾,直至洗液的pH值達到7左右,然后將洗好的合成沸石樣品過濾并用烘箱烘干、待用含重金屬離子污水的制備含重金屬離子污水樣采取制備原水樣。
分別用分析純CuSO4(無水)、Pb(NO3)2及CdCl2·2H2O配制含Cu2+、Pb2+、Cd2+的標準溶液。實驗中根據不同的需要取這些標準溶液稀釋到設計的濃度。
實驗方法
實驗方法采取批處理振蕩試驗。即在數個帶蓋塑料瓶中各盛50mL水樣,然后按照不同的實驗內容要求,分別滴加含各種金屬離子的標準溶液,以達到處理所需的濃度,之后再分別向塑料瓶內投加一定量的合成沸石樣品,放在國華THIZ-82恒溫振蕩器上振蕩,待達到一定時間后,在試紙上過濾。取過濾清液分析各種離子的含量吸附時間對吸附效果的影響在溫度為25℃和pH值為7條件下,當Cu2+、Pb2+、Cd2+3種離子的原水濃度分別為200mg/L、20mg/、5mg/時,吸附時間分別為0.5h、1.0h、2.0h、3.0h時的吸附效果。
含Cu2+、Pb2+、Cd2+3種離子的原水樣經振蕩吸附0.5h后,即可使原水中3種重金屬離子去除97%以上,振蕩3h后溶液中Cu2+、Pb2+、Cd2+離子去除率分別為99.88%、97.45%、98.62%,其濃度即趨于平緩,達到吸附平衡。
根據實驗結果,確定吸附平衡時間為3h。
pH值對吸附效果的影響由于OHˉ對重金屬離子具有明顯的干擾作用,因此pH值對吸附效果的影響實驗在中性或酸性溶液中進行。在溫度為25℃和pH值為4和7條件下,當Cu2+的原水濃度為200mgL時,經振蕩達到吸附平衡。
由表4-84可見,當pH值為4時,經振蕩達到吸附平衡時Cu2+的去除率僅為66.80%。當pH值為7時,經振蕩達到吸附平衡時Cu2+的去除率即可達到99.88%,說明pH值大小對合成沸石處理含重金屬離子污水的去除率有較大影響其去除率隨pH值降低而減少,即在酸性條件下,對重金屬離子去除效率低,在中性條件下,對重金屬離子去除率高。
沸石用量對吸附效果的影響在溫度為25℃和pH值為7條件下,當Cu2+的原水濃度為200m/L時,改變沸石投加量分別為0.2g、0.5g、1.0g、1.5g,經振蕩達到吸附平衡時的吸附效果。
對同一濃度的原水,合成沸石對Cu2+的去除率隨合成沸石用量的增加而增加,當沸石用量由0.2g增加到1.5g時,其去除率由51.00%提高到99.49%。實際上,當沸石用量高于1.0g以上時,即可使去除率達到98%以上。
重金屬離子平衡吸附容量當Cu2+、Pb2+、Cd2+3種離子濃度分別為200mgL、20mgL、5mg/L,在溫度為25℃和pH值為7條件下,經振蕩達到吸附平衡時的吸附效果。
1號和2號合成沸石樣品對3種離子的吸附容量分別為Cu2+,9.16~9.95mg/g,平均為9.56mg/g;Pb2+,0.80~0.98mg/g,平均為0.89mg/g;Cd2+,0.25mg/g。
吸附容量大小依次為Cu2+>Pb2+>Cd42+。此外,兩組合成沸石對3種離子的吸附效果比較接近，其中,對Cd2+的吸附容量兩組沸石一樣,均為0.25mg/g;但對Cu2+,2號合成沸石的吸附容量要高于1號合成沸石0.79mg/g;
對Pb2+,2號合成沸石的吸附容量要高于1號合成沸石0.18mg/g。因此總的來看,對3種離子的吸附效果而言,2號合成沸石略優于1號合成沸石與粉煤灰處理重金屬離子污水吸附容量的比較當Cu2+濃度為200mgL,在溫度為25℃和pH值為7的條件下,經振蕩達到吸附平衡時的吸附效果。
粉煤灰對Cu2+的吸附容量為6.49mg/g,與表4-86合成沸石對Cu2+的吸附容量9.16~9.95mg/g相比,低約2.67~3.46mg/go。
以上表明,同等條件下處理重金屬離子污水,從粉煤灰合成沸石的吸附容量比粉煤灰高。
用合成沸石處理含重金屬離子原水樣,0.5h左右即可使原水中的重金屬離子去除97%以上,達到吸附平衡所需時間約為3h。
用合成沸石處理含重金屬離子污水的去除率大小隨pH值降低而降低。
在酸性條件下,合成沸石對重金屬離子去除率低。
在中性條件下,合成沸石對重金屬離子去除率高。
用合成沸石處理含重金屬離子污水的去除率大小隨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。
本研究中合成沸石對Cu2+、Pb2+、Cd2+離子的吸附容量分別為9.56mg/g、0.89mg/g和0.25mg/go。總的來看,對3種離子的吸附效果,2號合成沸石略優于1號合成沸石。
同等條件下,利用粉煤灰處理含Cu2+的污水,其吸附Cu2+的吸附容量約為6.49mg/g,低于合成沸石。
因此,將粉煤灰合成沸石后處理重金屬污水,不僅提高吸附處理效率,而且提高吸附處理容量。
