利用钢渣处理含铜废水的试验研究_张从军

利用钢渣处理含铜废水的试验研究张从军,甘义群,蔡鹤生(中国地质大学环境学院,武汉430074)摘要:钢渣因具有较大的比表面积和特殊的微孔结构而被用于去除废水中的Cu2+。讨论了钢渣去除Cu2+的以下影响因素:振荡时间,溶液的pH值,钢渣粒径和反应温度。研究结果表明,钢渣对Cu2+的吸附能够较好地符合Langmuir和Freundlich吸附等温线,线性相关系数分别为0.9934和0.9913;钢渣对Cu2+的去除主要是静电吸附、表面配合、阳离子交换三种作用,沉淀作用仅在溶液pH值高于6.8时占优势;用钢渣处理含Cu2+废水,Cu2+最优去除率可达99.14%。关键词:钢渣;铜离子;吸附;废水处理中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1003-6504(2005)01-0085-03铜是人体生长必需的微量元素,但过量的铜具有较大的毒性,可造成肝肾损害,还能损伤红细胞而引起血管内溶血。目前,含铜废水主要来自电镀、冶炼、五金、石油化工和化学工业等部门的排放。工业上处理含铜废水的方法主要有化学混凝沉淀法、离子交换法、电解法、反渗透法、电渗析法等,但以上处理方法的成本相对较高,使得其应用受到限制。近年来,钢渣的环保利用价值正日益受到重视,用钢渣处理废水的研究已有报道[1],但国内利用钢渣处理含铜废水的研究未见报道。本文本着以废治废的原则,利用钢渣进行去除废水中Cu2+的试验研究,以确定其去除效果及去除机理,为研发新的废水处理方法做一些有益的探索。1试验部分1.1试验材料钢渣,取自武汉市汉阳钢铁厂,为电炉和转炉的混合渣,对钢渣进行了化学成分分析(表1)。钢渣在105℃烘干至恒重,用球磨机球磨之后过筛,获取不同粒径以备用。含铜废水,用分析纯级的无水CuSO4配置Cu2+溶液(Cu2+浓度为25mg/L～350mg/L)。溶液的初始pH值用HNO3和NaOH溶液调节。表1钢渣的化学成分(%)SiO2Al2O3CaOMgOK2ONa2OTFe2O3TiO2P2O5MnO烧失量16.459.8427.238.620.290.1723.940.530.821.3510.611.2试验仪器WFX-110型原子吸收分光光度计,北京瑞利分析仪器公司;pH计,意大利哈纳-HI8424micro-comput-erpHmeter,北京哈纳仪器科技有限公司;THZ-82恒温水浴振荡器,常州国华电器有限公司。1.3试验方法取50mL初始浓度为C0的含铜废水于容量为作者简介:张从军(1982-),男,在读硕士,从事水污染控制与环境修复,(电话)027-62284290(电子信箱)cjzhang@2003.cug.edu.cn。100mL的高压聚乙烯瓶中,调节溶液的pH值后,加入一定粒径、一定投加量M的钢渣,在恒温水浴中振荡。在事先设定的时间点上对溶液中的Cu2+浓度进行取样测试[2],得出Cu2+浓度为C0最后按照以下公式计算钢渣对Cu2+的去除率η(%)及钢渣的吸附量Q,式中V为溶液体积。η(%)=(C0-C)C0×100Q=(C0-C)VM2试验结果与讨论2.1钢渣去除铜离子的影响因素分析2.1.1振荡时间与pH值由图1可知,Cu2+的去除率随振荡时间的增加而增大。整个去除过程大致可分为两个阶段:初始40min,Cu2+的去除率即达到75%;随后200min,Cu2+的去除率只有25%左右,而且在振荡240min之后,Cu2+的去除率还有略微下降的趋势,这表明整个吸附过程达到平衡。这种现象由于初始Cu2+浓度在溶液和钢渣表面之间相差较大,因而Cu2+能迅速地被吸附在钢渣表面;随着两相之间浓度差的降低及已吸附在钢渣表面Cu2+向钢渣微孔内部扩散的速率缓慢的共同影响使得吸附速率不断降低[3],最后趋于吸附平衡。2.1.2pH值钢渣含有大量碱性氧化物,投加到水溶液中,其表面的部分氧化物易发生水解,使得溶液pH有所上升:CaO+H2O→Ca2++2OH-85利用钢渣处理含铜废水的试验研究张从军,等DOI:牨牥牨牴牰牱牪牤jcnki牨牥牥牫牠牰牭牥牬牪牥牥牭牥牨牥牫牰Na2O+H2O→2Na2++2OH-上述方程表明溶液中pH值增幅与溶液的初始pH有关,初始pH越小,增幅越大。图2表示Cu2+的去除率与溶液pH值之间的关系。为了解钢渣对Cu2+的吸附作用,做了空白对比试验(即溶液中不投加钢渣,仅调节pH值)。溶液pH值在6.5～6.8之间,钢渣对Cu2+的吸附去除效果最好,这是因为钢渣的XRD分析表明其主要矿物为磁铁矿(Fe3O4),磁铁矿的电荷零点pH值(pHZPC)为6.5[4],当溶液pH>6.5时,矿物的表面将带负电荷而大量吸附Cu2+;但当溶液pH值超过6.8时,沉淀作用将替代吸附作用成为钢渣去除Cu2+的首要方式。2.1.3钢渣粒径为了解钢渣粒径对Cu