改性煤气化灰渣吸附重金属离子的研究

第45卷第4期应用化工Vol. 45 No.42016年4月Applied Chemical IndustryApr. 2016改性煤气化灰渣吸附重金属离子的研究鲍超,凌琪,伍昌年,方涛,赵秋燕,孙冰香,张睿,孔张成,杨浩(安徽建筑大学水污染控制与废水资源化安徽省重点实验室,安徽合肥230601)摘要:以煤气化灰渣为 原料,采用酸改性法( HF酸)制备改性煤气化灰渣。通过静态实验研究了改性煤气化灰渣对溶液中PbZ*、Cu2+、Cd2+的吸附特性,测定了溶液pH值、吸附时间、金属离子初始浓度对吸附的影响。结果表明,二级动力学方程很好的描述溶液中重金属离子在改性煤气化灰渣上的吸附过程;吸附等温线符合Langmuir模型,Pb2*、Cu2*、Cd2*的静态饱和吸附量分别为112.07 ,40. 18,31.21 mg/go关键词:改性煤气化灰渣;重金属离子;吸附中图分类号:TQ 085*.4;X 703文献标识码:A文章编号: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煤气化灰渣是煤在经历-系列气化过程后,其1实验部分中无机物质经过物理化学转变伴随残留碳颗粒,得1.1 材料与仪器到的固态残渣。我国每年煤气化灰渣排量巨大且综.HF酸、HCI、NaOH、CuSO&●5H20、 CdCl2合利用率低,不仅占用大量土地,并且其中的各种有5H20、Pb( NO3)2均为分析纯;实验用煤气化灰渣取毒有害物质也会对土壤、水体造成严重污染,给人类自.上海焦化厂的德士古气化炉(原煤为神华煤) ,其健康和生态环境带来很大威胁12]。当前煤气化灰.主要成分见表1。.渣的处置已引起研究者广泛关注。煤气化灰渣除含表1煤气化灰渣化学组成未完全燃烧的炭质外,主要成分也包括SiO2 和Al203Table 1 Chemical composition of the modifed等,物相为玻璃体,比表面积大,内部含丰富孔隙结coal gasification slag化学成分含量/%构,具备吸附性能。研究表明,通过对表面致密玻璃SiO252.12相的破坏，可打开其内部甬道,充分激发化学活性。28.42本研究采用酸改性法将煤气化灰渣进行改性活化，CaO3.22Me01.93考察改性后的煤气化灰渣吸附溶液中Pb2* 、Cu2+、MgO1.20Cd2+的性能。TO2 .0.82收稿日期:2015-1105修改稿日期:2015-11-17基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项课题(2014ZX07405003)中国煤化工作者简介:鲍超(1990 -),男,安徽安庆人,安徽建筑大学在读硕士研究生MYHCNMH G上程专业研究。电话:0551 -63828251 ,E - mail:401280171@ qq. com通讯联系人:凌琪( 1960-),女,教授,从事水污染控制与技术研究。电话:0551 - 63828251 , E - mail: lingi51200 @163. com .632应用化工第455卷改性煤气化灰渣表面呈正电荷,与重金属离子间存的吸附过程分别用Lagergren一级和二级动力学方在静电斥力,吸附主要通过离子交换作用。当溶液程以及粒子内扩散方程进行拟合。pH大于其零点电荷对应pH时,改性煤气化灰渣表Pb面带负电,吸附主要通过静电作用'5。、Cd80正70? 60-3C305090120 Iso2(吸附时间/min10(a)-级动力学方程234567一89p12-:C图2溶液初始 pH对重金属去除率的影响Fig.2 Efect of pH on adsorption2.3吸附动力学反应时间对溶液中Pb2+、Cu2+、Cd2+吸附效果的影响见图3。. -Pb35-+ Cu6090120150间/min(b)二级动力学方程望导2015:10-'∞25|管2060912G 15图3反应时间对改 性煤气化灰渣吸附重金属影响Fig.3 Effect of contact time on adsorption由图3可知,随吸附时间增加,重金属离子吸附034567891011213量先快速增加,然后减缓直至达到动态平衡。吸附在(c)粒子内扩散方程50 min内基本达到平衡,且改性煤气化灰渣对Pb2+的吸附效果最好。3种重金属平衡吸附量由大到小图4 改性煤气化灰渣吸附重金属的动力学曲线Fig.4 Adsorption kinetics curves of heavy metals依次为Pb2+ > Cu2+ > Cd2+ ,对应平衡吸附量分别为by modifed coal gasification slag37. 70,13. 28,12.19 mg/g。吸附过程主要分为3个阶改性煤气化灰渣吸附重金属的动力学拟合曲线段,分别为快吸附阶段、慢吸附阶段以及吸附动态平见图4,相关动力学参数见表2。拟合结果表明,二衡阶段。在快吸附阶段,吸附剂表面吸附位富余,吸级动力学方程能够对改性煤气化灰渣吸附Pb3+、附速度快,随反应持续,表面吸附位逐渐为金属离子Cu2*、Cd2+的过程有很好的描述(R?均>0.99)。可占据,吸附相中重金属离子与溶液中重金属离子存在见3种重金属在改性煤气化灰渣上吸附过程主要为的静电斥力持续增强,导致后期吸附困难°6]。化学吸附[78]。二级动力学方程包含外部液膜扩为进一步探讨改性煤气化灰渣对重金属离子的散、表面吸附以及颗粒内扩散等,能够全面、准确地吸附机理,将3种重金属离子在改性煤气化灰渣上表述其吸附机制(911。表2不同方 程拟合动力学吸附参数Table 2 Parameters of different models for heavy metals adsorptionLagergen一级动力学方程Lagergren二级动力学中国煤化工散方程重金属离子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期鲍超等:改性煤气化灰渣吸附重金属离子的研究633度增加而增大,直至达吸附平衡。改性煤气化灰渣2.4 吸附等温线图5为25 C下,改性煤气化灰渣吸附Pb'*、对Pb2+、Cu2+、Cd2+的等温吸附试验数据采用Lang-muir方程式(4)和Freundlich方程式(5)线性拟合。Cu2+、Cd2+吸附等温曲线。Langmuir和Freundlich 方程线性拟合结果见25 r表3。100由表3可知,改性煤气化灰渣对Pb'*、Cu2*、士PCd2+的吸附与Langmuir等温方程拟合程度更好。。75士Langmuir模型认为,吸附质在均匀固体表面形成单号50分子层的吸附层,吸附在固体表面的分子之间不存在作用力,即单分子层吸附模式，可见以化学吸附为2主11213)。改性后的煤气化灰渣表面粗糙、结构疏松020406080100120140160180为吸附提供更多的吸附位点，增加了与金属离子接平衡浓度(mg*L )触机率。利用Langmuir方程可计算出Pb'*、Cu2+图5 吸附等温曲线Fig. 5 Adsorptions isothermsCd2*的静态饱和吸附量分别为112.0由图5可知,吸附量均随溶液中重金属离子浓40. 18 ,31.21 mg/g。表3 Langmuir 及Freundilich等温方程参数Table 3 Langmuir and Freundlich parametersLangmuir 等湿方程Freundlich 等温方程金属离子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结论改性煤气化灰渣最佳吸附pH值为7.0,对.[7]孙小莉,曾庆轩 ,冯长根.多胶型阴离子交换纤维吸附铬(N)的动力学[J].物理化学学报, 2009, 10:Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附在50 min内达到平衡;二级1951 -1957.动力学方程很好的描述溶液中重金属离子在改性煤[8]梁莎. 化学改性生物吸附剂合成及其对重金属离子吸气化灰渣上的吸附过程;吸附等温线符合Langmuir附行为研究[ D].长沙:中南大学,2012.模型,同时可计算得到Pb2*、Cu2+、Cd2+的静态饱和[9] Chang M Y ,Juang R S. Adsorption of tannic acid, humic吸附量分别为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-参考文献:ence, ,2004 ,278 :18-25.[1]杨帅 ,石立军.煤气化细渣组分分析及其综合利用探[10] Tan I A,Ahmad A L, Hameed B H Adsorption isotherms,kinetics ,thermodynamics and desorption studies of2,4 ,6-讨[J].煤化工,2013(4) :29-31.trichlorophenol on oil palm empty fruit bunch-based acti[2]卢珊珊. 气流床煤气化灰渣的特性研究[D].上海:华vated carbon[J]. Journal of Hazardous Materials , 2008,东理工大学,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中国煤化工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:中国建筑出版社,2009.theremoval of copper ( I ) from industrial wastes [J]..