改性煤氣化灰渣吸附重金屬離子的研究

第45卷第4期應用化工Vol. 45 No.42016年4月Applied Chemical IndustryApr. 2016改性煤氣化灰渣吸附重金屬離子的研究鮑超,凌琪,伍昌年,方濤,趙秋燕,孫冰香,張睿,孔張成,楊浩(安徽建筑大學(xué)水污染控制與廢水資源化安徽省重點(diǎn)實(shí)驗室,安徽合肥230601)摘要:以煤氣化灰渣為 原料,采用酸改性法( HF酸)制備改性煤氣化灰渣。通過(guò)靜態(tài)實(shí)驗研究了改性煤氣化灰渣對溶液中PbZ*、Cu2+、Cd2+的吸附特性,測定了溶液pH值、吸附時(shí)間、金屬離子初始濃度對吸附的影響。結果表明,二級動(dòng)力學(xué)方程很好的描述溶液中重金屬離子在改性煤氣化灰渣上的吸附過(guò)程;吸附等溫線(xiàn)符合Langmuir模型,Pb2*、Cu2*、Cd2*的靜態(tài)飽和吸附量分別為112.07 ,40. 18,31.21 mg/go關(guān)鍵詞:改性煤氣化灰渣;重金屬離子;吸附中圖分類(lèi)號:TQ 085*.4;X 703文獻標識碼:A文章編號:1671 -3206(2016)04 -0630 -04Adsorption of heavy metal ions by modified coal gasification slagBAO Chao ,LING Qi, WU Chang nian , FANG Tao , ZHAO Qiu-yan,SUN Bing xiang , ZHANG Rui ,KONG Zhang cheng，YANG Hao(Key Laboratory of Anhui Prorince , W ater Pollution Control andWaste Water Resources of Anbui Jianzhu University , Hefei 230601 ,China)Abstract:The modified coal gasification slag was prepared by treating HF acid. The adsorption of Pb2*,Cu2 * and Cd2 * on modifed coal gasification slag was investigated by conducting a series of batch adsorp-tion experiments. The influence of solution pH value , contact time and metal ions initial concentration onadsorption was invesigated. The results showed that the kinetics was found to fit pseudo-second-order typeadsorption kinetics. Equilibrium was well described by Langmuir isotherms. The maximum adsorption ca-pacities of the mdified coal gasification slag for Pb'* ,Cu2* ,Cd2* were 112.07 ,40. 18,31.21 mg/g.Key words : modified coal gasification slag; heavy metal ions; adsorption煤氣化灰渣是煤在經(jīng)歷-系列氣化過(guò)程后,其1實(shí)驗部分中無(wú)機物質(zhì)經(jīng)過(guò)物理化學(xué)轉變伴隨殘留碳顆粒,得1.1 材料與儀器到的固態(tài)殘渣。我國每年煤氣化灰渣排量巨大且綜.HF酸、HCI、NaOH、CuSO&●5H20、 CdCl2合利用率低,不僅占用大量土地,并且其中的各種有5H20、Pb( NO3)2均為分析純;實(shí)驗用煤氣化灰渣取毒有害物質(zhì)也會(huì )對土壤、水體造成嚴重污染,給人類(lèi)自.上海焦化廠(chǎng)的德士古氣化爐(原煤為神華煤) ,其健康和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)很大威脅12]。當前煤氣化灰.主要成分見(jiàn)表1。.渣的處置已引起研究者廣泛關(guān)注。煤氣化灰渣除含表1煤氣化灰渣化學(xué)組成未完全燃燒的炭質(zhì)外,主要成分也包括SiO2 和Al203Table 1 Chemical composition of the modifed等,物相為玻璃體,比表面積大,內部含豐富孔隙結coal gasification slag化學(xué)成分含量/%構,具備吸附性能。研究表明,通過(guò)對表面致密玻璃SiO252.12相的破壞，可打開(kāi)其內部甬道,充分激發(fā)化學(xué)活性。28.42本研究采用酸改性法將煤氣化灰渣進(jìn)行改性活化，CaO3.22Me01.93考察改性后的煤氣化灰渣吸附溶液中Pb2* 、Cu2+、MgO1.20Cd2+的性能。TO2 .0.82收稿日期:2015-1105修改稿日期:2015-11-17基金項目:國家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項課題(2014ZX07405003)中國煤化工作者簡(jiǎn)介:鮑超(1990 -),男,安徽安慶人,安徽建筑大學(xué)在讀碩士研究生MYHCNMH G上程專(zhuān)業(yè)研究。電話(huà):0551 -63828251 ,E - mail:401280171@ qq. com通訊聯(lián)系人:凌琪( 1960-),女,教授,從事水污染控制與技術(shù)研究。電話(huà):0551 - 63828251 , E - mail: lingi51200 @163. com .632應用化工第455卷改性煤氣化灰渣表面呈正電荷,與重金屬離子間存的吸附過(guò)程分別用Lagergren一級和二級動(dòng)力學(xué)方在靜電斥力,吸附主要通過(guò)離子交換作用。當溶液程以及粒子內擴散方程進(jìn)行擬合。pH大于其零點(diǎn)電荷對應pH時(shí),改性煤氣化灰渣表Pb面帶負電,吸附主要通過(guò)靜電作用'5。、Cd80正70? 60-3C305090120 Iso2(吸附時(shí)間/min10(a)-級動(dòng)力學(xué)方程234567一89p12-:C圖2溶液初始 pH對重金屬去除率的影響Fig.2 Efect of pH on adsorption2.3吸附動(dòng)力學(xué)反應時(shí)間對溶液中Pb2+、Cu2+、Cd2+吸附效果的影響見(jiàn)圖3。. -Pb35-+ Cu6090120150間/min(b)二級動(dòng)力學(xué)方程望導2015:10-'∞25|管2060912G 15圖3反應時(shí)間對改 性煤氣化灰渣吸附重金屬影響Fig.3 Effect of contact time on adsorption由圖3可知,隨吸附時(shí)間增加,重金屬離子吸附034567891011213量先快速增加,然后減緩直至達到動(dòng)態(tài)平衡。吸附在(c)粒子內擴散方程50 min內基本達到平衡,且改性煤氣化灰渣對Pb2+的吸附效果最好。3種重金屬平衡吸附量由大到小圖4 改性煤氣化灰渣吸附重金屬的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)Fig.4 Adsorption kinetics curves of heavy metals依次為Pb2+ > Cu2+ > Cd2+ ,對應平衡吸附量分別為by modifed coal gasification slag37. 70,13. 28,12.19 mg/g。吸附過(guò)程主要分為3個(gè)階改性煤氣化灰渣吸附重金屬的動(dòng)力學(xué)擬合曲線(xiàn)段,分別為快吸附階段、慢吸附階段以及吸附動(dòng)態(tài)平見(jiàn)圖4,相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數見(jiàn)表2。擬合結果表明,二衡階段。在快吸附階段,吸附劑表面吸附位富余,吸級動(dòng)力學(xué)方程能夠對改性煤氣化灰渣吸附Pb3+、附速度快,隨反應持續,表面吸附位逐漸為金屬離子Cu2*、Cd2+的過(guò)程有很好的描述(R?均>0.99)?？烧紦?吸附相中重金屬離子與溶液中重金屬離子存在見(jiàn)3種重金屬在改性煤氣化灰渣上吸附過(guò)程主要為的靜電斥力持續增強,導致后期吸附困難°6]?；瘜W(xué)吸附[78]。二級動(dòng)力學(xué)方程包含外部液膜擴為進(jìn)一步探討改性煤氣化灰渣對重金屬離子的散、表面吸附以及顆粒內擴散等,能夠全面、準確地吸附機理,將3種重金屬離子在改性煤氣化灰渣上表述其吸附機制(911。表2不同方 程擬合動(dòng)力學(xué)吸附參數Table 2 Parameters of different models for heavy metals adsorptionLagergen一級動(dòng)力學(xué)方程Lagergren二級動(dòng)力學(xué)中國煤化工散方程重金屬離子q/(mg.g-1)R2k/ minq./(mg'gMHCNMHG :Pb2+0.041537.700.8670.007838.461.1101.1230.651Cu2+0.050713.280.007913.890.9932.1870.706Ca2+0.048 3612.190.7840.013413.160.9971.249 - 0. 2760. 689.第4期鮑超等:改性煤氣化灰渣吸附重金屬離子的研究633度增加而增大,直至達吸附平衡。改性煤氣化灰渣2.4 吸附等溫線(xiàn)圖5為25 C下,改性煤氣化灰渣吸附Pb'*、對Pb2+、Cu2+、Cd2+的等溫吸附試驗數據采用Lang-muir方程式(4)和Freundlich方程式(5)線(xiàn)性擬合。Cu2+、Cd2+吸附等溫曲線(xiàn)。Langmuir和Freundlich 方程線(xiàn)性擬合結果見(jiàn)25 r表3。100由表3可知,改性煤氣化灰渣對Pb'*、Cu2*、士PCd2+的吸附與Langmuir等溫方程擬合程度更好。。75士Langmuir模型認為,吸附質(zhì)在均勻固體表面形成單號50分子層的吸附層,吸附在固體表面的分子之間不存在作用力,即單分子層吸附模式，可見(jiàn)以化學(xué)吸附為2主11213)。改性后的煤氣化灰渣表面粗糙、結構疏松020406080100120140160180為吸附提供更多的吸附位點(diǎn)，增加了與金屬離子接平衡濃度(mg*L )觸機率。利用Langmuir方程可計算出Pb'*、Cu2+圖5 吸附等溫曲線(xiàn)Fig. 5 Adsorptions isothermsCd2*的靜態(tài)飽和吸附量分別為112.0由圖5可知,吸附量均隨溶液中重金屬離子濃40. 18 ,31.21 mg/g。表3 Langmuir 及Freundilich等溫方程參數Table 3 Langmuir and Freundlich parametersLangmuir 等濕方程Freundlich 等溫方程金屬離子qme/(mg.g~)b/(L. mg1)nR?Pb2+112.070. 1890.99951.238. 4030.986Cu2*40. 180.1660.99817.455. 7800.919Cd2+31.210.14113.555. 882.0.991Water Re, 1998 ,32( 10) :3085-3091.3結論改性煤氣化灰渣最佳吸附pH值為7.0,對.[7]孫小莉,曾慶軒 ,馮長(cháng)根.多膠型陰離子交換纖維吸附鉻(N)的動(dòng)力學(xué)[J].物理化學(xué)學(xué)報, 2009, 10:Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附在50 min內達到平衡;二級1951 -1957.動(dòng)力學(xué)方程很好的描述溶液中重金屬離子在改性煤[8]梁莎. 化學(xué)改性生物吸附劑合成及其對重金屬離子吸氣化灰渣上的吸附過(guò)程;吸附等溫線(xiàn)符合Langmuir附行為研究[ D].長(cháng)沙:中南大學(xué),2012.模型,同時(shí)可計算得到Pb2*、Cu2+、Cd2+的靜態(tài)飽和[9] Chang M Y ,Juang R S. Adsorption of tannic acid, humic吸附量分別為112. 07 ,40.18,31.21 mg/goacid,and dyes from water using the composite of chitosanand activated clay[J]. Joumal of Colloid & Interface Sci-參考文獻:ence, ,2004 ,278 :18-25.[1]楊帥 ,石立軍.煤氣化細渣組分分析及其綜合利用探[10] Tan I A,Ahmad A L, Hameed B H Adsorption isotherms,kinetics ,thermodynamics and desorption studies of2,4 ,6-討[J].煤化工,2013(4) :29-31.trichlorophenol on oil palm empty fruit bunch-based acti[2]盧珊珊. 氣流床煤氣化灰渣的特性研究[D].上海:華vated carbon[J]. Journal of Hazardous Materials , 2008,東理工大學(xué),2011.164(2/3) :473- 482.[3] Remik s C, Katz 1, Dosoretr C C. Removal of dssolved[11] Kaczala F, Marques M, Hogland w. Lead and vanadiumorganic matter by granular-activated carbon adsorption asremoval from a real industrial wastewater by gravitationala pretreatment to reverse osmosis of membrane bioreactorsttling/ sedimentation and sorption onto Pinus sylvestrisefluents[J]. Water Res ,2008 ,42(6/7) :1595-1605.sawdust [ J]. Bioresource Technology, 2009, 100(1):[4] Kolodyhska D, Wnetrzak R, Lealy J J,et al. Kinetic and235-243.adsorptive charaterization of biochar in metal ions removal[12] Dwivedi C P,Sahu J N, Mohanty C R,et al. Column per-[J]. Chemical Engineeing Joumal ,2012, 197 :295-305.formance of granular activated carbon packed bed for Pb[5] Alinnor 1 J. Adsorption of heavy metal ions from aqueous中國煤化工D8,156:596-603.solution by fy ash[J]. Fuel ,2007 ,86(5/6) :853-857.[6] Ajmal M, Khan A H, Ahmad S,et al. Role of sawdust in[13] 范瑾YHCN M H C京:中國建筑出版社,2009.theremoval of copper ( I ) from industrial wastes [J]..