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        煤矸石負載殼聚糖制備重金屬吸附功能陶粒及其吸附性能研究①

        2021-12-16 08:00:00□□翔,王正,屈湃,王倩,苗
        建材技術與應用 2021年6期
        關鍵詞:陶粒煤矸石投加量

        □□ 高 翔,王 正,屈 湃,王 倩,苗 洋

        (1.山西晉通企業(yè)資產管理有限公司,山西 太原 030000;2.太原鋼鐵集團粉煤灰綜合利用有限公司,山西 太原 030003;3.太原理工大學 材料科學與工程學院,山西 太原 030000)

        引言

        近年來,由于飲用水源污染導致初生嬰兒致畸,村民致癌的問題屢見不鮮。作為污染物之一的重金屬離子,不僅極大地破壞了環(huán)境,而且嚴重影響著人們的身體健康[1-2]。山西省作為煤炭大省,每年伴隨有大量的煤矸石產生,作為固體廢棄物,煤矸石在侵占土地的同時也帶來大量的安全隱患[3-4]。在煤矸石的資源化利用過程中,大多數(shù)研究是將其作為添加料加入水泥中用于改善水泥的性能,同時達到降低生產成本的目的,而其在吸附材料方面的研究和應用少之又少[5-6]。

        1 試驗

        1.1 材料和儀器

        煤矸石取自山西省忻州地區(qū);殼聚糖、重鉻酸鉀均為分析純。Cr(VI)濃度測定采用722N紫外可見分光光度計;物相分析采用D2PHASER型X射線衍射儀;比表面積分析采用JW-BK122W比表面積及孔徑分析儀;造粒采用包衣機。

        1.2 試驗原理和步驟

        1.2.1 試驗原理

        Cr(VI)濃度按照GB 7467—1987《水質 六價鉻的測定 二苯碳酰二肼分光光度法》測定,機理為Cr(VI)在酸性溶液中與二苯基碳酰二肼發(fā)生反應生成紫紅色化合物。

        1.2.2 試驗步驟

        將煤矸石破碎至400目(38 μm)以下,在800 ℃條件下煅燒(升溫速率為5 ℃/min,保溫時間為60 min,后隨爐冷卻)。稱取10 g殼聚糖溶解于1 L體積分數(shù)為5%的醋酸溶液中,加入150 g煤矸石攪拌,2 h后加入1.0 mol/L的NaOH溶液200 mL,繼續(xù)攪拌1 h之后過濾出煤矸石混合物,用去離子水洗滌至中性,置于電熱鼓風干燥箱中烘干,隨后倒入包衣機中造粒,篩選出3~5 mm的陶粒進行后續(xù)試驗。

        1.3 試驗表征

        煤矸石和經800 ℃煅燒的煤矸石XRD圖如圖1所示。

        圖1(a)中觀察到代表高嶺石結構的“山”字峰,表明此狀態(tài)下的煤矸石晶形完整;圖1(b)中觀察到“饅頭”狀峰形,表明煤矸石煅燒后生成非晶態(tài)物質,800 ℃下呈現(xiàn)獨特的偏高嶺化。

        煤矸石、800 ℃煅燒煤矸石的BET參數(shù)見表1。分析表1的BET參數(shù)可知,煤矸石經800 ℃煅燒后其比表面積和吸附孔徑均明顯增加。結合圖1可知,煅燒過程中伴隨脫羥除碳的發(fā)生,破壞了煤矸石的晶體結構,增大了其比表面積和內部空隙。

        表1 煤矸石、800 ℃煅燒煤矸石的BET參數(shù)

        2 結果與討論

        2.1 煅燒溫度對煤矸石吸附性能的影響

        將不同溫度下的煅燒煤矸石與殼聚糖制備的煤矸石陶粒用于對Cr(VI)的吸附,取1 g陶粒置于100 mL濃度為10 mg/L的Cr(VI)溶液中,進行3 h的吸附試驗,探究煅燒溫度對煤矸石對Cr(VI)吸附性能的影響。不同溫度煅燒后的煤矸石對Cr(VI)的去除率如圖2所示。

        圖2 不同溫度煅燒后的煤矸石對Cr(VI)的去除率

        由圖2分析可得,隨著煅燒溫度的上升,對Cr(VI)去除率先升高,在800 ℃達到最高點,而后開始急劇下降。煅燒溫度≤800 ℃時,隨著煅燒溫度的提高,煤矸石內部有機質揮發(fā),自由水和結合水脫去,內部孔隙增大,分子活性增加,使得去除Cr(VI)的能力提高;煅燒溫度>800 ℃時,隨著溫度繼續(xù)增加,煤矸石出現(xiàn)“死燒”,部分熔融態(tài)阻塞內部孔隙,導致其對Cr(VI)的去除率降低。

        2.2 陶粒投加量和Cr(VI)離子濃度對煤矸石吸附性能的影響

        進行不同煤矸石陶粒投加量和Cr(VI)離子濃度下的吸附試驗,探究不同試驗條件對Cr(VI)去除率的影響,Cr(VI)去除情況如圖3所示。

        圖3 Cr(VI)的去除率

        由圖3(a)分析可得,隨著陶粒投加量的增加,對Cr(VI)的去除率不斷上升,增速越來越緩,當投加量達到0.8 g(8 g/L)之后去除率基本不變,保持在68%,說明此時陶粒對溶液中Cr(VI)吸附與脫附過程達到平衡。由圖3(b)分析可得,隨著Cr(VI)初始濃度的增加,去除率逐漸下降,降速越來越快,當濃度為10 mg/L時,去除率最大為75.6%,表明陶粒表面和內部的活性點位對Cr(VI)的吸附已進行充分。

        3 結論

        3.1 煤矸石經800 ℃煅燒后出現(xiàn)偏高嶺化,此時孔隙率增大,活性提高,按照質量分數(shù)15∶1負載殼聚糖后所制陶粒,對Cr(VI)離子具有很好的凈化效果。

        3.2 當Cr(VI)初始濃度為10 mg/L,煤矸石陶粒投加量為8 g/L時,對Cr(VI)去除率可達到75.6%。

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