废弃玻璃及水泥块制备轻石及其对重金属的吸附性能研究

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重金属污染日趋严重,严重危害着生态环境安全与人类的健康。同时,城市化进程加快,大量的建筑废弃物随意堆放,造成了二次污染,引起了严重的环境问题。本文通过改变玻璃粉末、水泥块粉末、硼酸及碳酸钙的比例,制备轻石,并考察其对重金属离子的去除能力;进行等温模拟、动力学模拟,结合XPS等,探究其吸附机理;使用小型动态吸附装置进行实际应用分析。主要结论如下:(1)确定最佳比例为玻璃粉末:水泥块粉末:硼酸:碳酸钙=10:12:3:2.5。在最佳投加比例条件下,改变煅烧温度,确定最佳煅烧温度为1000℃。对按最佳条件制备出的轻石进行物理指标测试,其抗压强度为36.7 MPa,堆积密度为1.29 g/cm3,表观密度为2.2 g/cm3,空隙率为41.4%,吸水率为16.4%,耐酸性为0.9%,耐碱性为4.2%。五种重金属离子的重金属浸出浓度为Cr 0.143 mg/L,As 0.001 mg/L,Pb 0.016 mg/L,Cu 0.006 mg/L,Zn 0.172 mg/L,浸出浓度远小于国标浓度限值,且制备出的轻石较为稳定,在酸性条件下能存留较久的时间。(2)在重金属吸附试验中,通过改变投加量,接触时间,初始浓度,p H,温度,以及离子共存情况,融雪剂的影响,来考察轻石对重金属离子的吸附效果。经过试验分析,选择0.6 g/L为轻石去除Pb离子的最佳投加量,选择0.8 g/L为轻石去除Cr、As、Cu、Zn离子的最佳投加量。Cr、Cu、Zn、As、Pb离子分别在600 min、720 min、600 min、600 min、900 min时基本达到平衡。Cr、Cu、Zn、As、Pb离子在重金属溶液初始浓度为4 mg/L、4.5 mg/L、4.5 mg/L、3.5 mg/L、4 mg/L时达到平衡,平衡时吸附量分别为64μg/mg、110μg/mg、79μg/mg、161μg/mg、161μg/mg。在不同p H条件下,Cr、Cu、Zn、As、Pb离子的吸附量均随着p H的升高而升高。在不同温度条件下,随着温度的升高,吸附量也在逐渐增加。当五种重金属离子共存时,经过共存离子试验我们可知轻石对Cr、Cu、Zn、As、Pb的去除率分别是92%、85%、60%、42%、39%,整体影响趋势由大到小为:Pb>As>Zn>Cu>Cr。融雪剂对轻石去除重金属离子效果影响不大,使用盐酸与氢氧化钠进行解吸试验,发现解吸率随解吸剂浓度的增加而增大。盐酸做为解吸剂时,解吸效果好于氢氧化钠。将轻石经过吸附-解吸-再吸附过程6次,考察轻石的重复利用次数。试验发现,6次后的轻石对重金属的去除率在50%以上。因此,轻石具有较好的可重复性。(3)通过等温模拟与动力学模型拟合发现:Freundlich方程中五种重金属离子Cr、Pb、As、Cu、Zn的R2值分别为0.971、0.957、0.966、0.991、0.985,Langmuir方程中五种重金属离子Cr、Pb、As、Cu、Zn的R2值分别为0.998、0.986、0.975、0.991、0.986。五种重金属离子的吸附过程更符合准二级吸附动力学,说明轻石对重金属离子的吸附过程主要受化学吸附控制。通过XPS以及傅里叶红外光谱对轻石吸附重金属前后进行对比,探究其吸附机理可知:轻石吸附重金属是因为轻石内的羟基与重金属离子间形成了络合物。(4)以轻石做填料,填料高度为6 cm时效果最佳,干旱间隔期对装置影响小,在不同进水速度下,该装置的去除能力相差不大,去除效果较好。通过公式计算填料理论使用时间为100年。
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