镧负载粉煤灰基吸附剂深度处理稀土冶炼氨氮废水

论文摘要

我国具有得天独厚的稀土资源优势,其中包头市的稀土资源占全国的83%。随着我国稀土产业的发展,稀土行业的污染问题也日益突出。现有稀土冶炼工艺比较复杂。由于化学药剂的引入而产生大量废水,其中,高浓度氨氮废水是稀土工业三大废水之一。包头部分未经处理的稀土工业废水任意排放,已经导致黄河包头段水质污染并呈逐年恶化的趋势。因此,对稀土冶炼氨氮废水的有效处理与达标排放势在必行。本论文在文献调研和现场调查的基础上,采用“化学沉淀-吹脱”作为稀土冶炼氨氮废水预处理手段,重点开展了以吸附法作为深度处理方法的相关研究,从“以废治废”的角度选用粉煤灰为载体,通过硫酸浸渍预处理后,应用沉淀法将稀土氧化物La203负载于粉煤灰上,制备了镧负载粉煤灰基吸附剂,并研究考察了吸附剂制备条件对吸附性能的影响；同时,以静态吸附实验研究考察了吸附剂粒径、吸附剂用量、废水pH值、吸附时间以及共存阳离子对吸附性能的影响。通过吸附等温线和吸附速率曲线的测定,进行了吸附热力学和动力学的研究,并考察了吸附剂的再生性能；利用SEM、XRD和XPS表征手段对镧负载粉煤灰基吸附剂的表面形貌、晶体结构和表面化学成分进行研究,初步探讨了镧负载粉煤灰基吸附剂对废水中氨氮的吸附机理。最后,提出了针对稀土冶炼氨氮废水处理的“化学沉淀-吹脱-吸附组合工艺”,并进行了简单的技术经济分析。研究结果表明：（1）镧负载粉煤灰基吸附剂制备的最佳条件为镧离子浸渍浓度为0.35%、浸渍pH为11、微波辐照功率为385W、微波辐照时间为10min,各因素对氨氮去除率影响大小为：镧离子浸渍浓度>微波功率>浸渍pH值>微波辐照时间。（2）镧负载粉煤灰基吸附剂吸附氨氮的最佳条件为：吸附剂粒径为≥160目,用量为50 g·L-1，废水pH值为10,吸附时间为2h。碱性条件下,氧化镧不易溶出,且碱性条件也有利于氨氮的去除,在吸附时间为3h内,粉煤灰表面氧化镧附着稳定。（3）对吸附剂等温吸附线进行拟合发现,镧负载粉煤灰基吸附剂对氨氮的吸附更符合Freundlich吸附等温方程,且吸附容易进行,与原粉煤灰及预处理粉煤灰相比,其吸附性能更优。吸附速率曲线的拟合表明,镧负载粉煤灰基吸附剂对氨氮的吸附量随时间的变化更符合Bangham方程,即该吸附符合一级反应动力学方程。（4）通过对吸附剂的再生性能考察发现,再生pH值<6时,再生吸附剂的吸附容量很小,而当pH值>6时,其吸附性能较好,表明碱性再生条件有利于再生吸附剂去除氨氮。经一次再生后,吸附剂的吸附容量为8.38mg·g-1，再生6次时,吸附剂仍具有一定的吸附能力,达7次后,吸附容量已经很小。（5）通过吸附机理的初步探讨发现,镧负载粉煤灰基吸附剂对氨氮的去除主要是通过吸附和离子交换作用实现的,其中主要包括粉煤灰晶体结构对氨氮的物理和化学吸附、铝离子的离子交换吸附、氧化镧的表面羟基化而发生的离子交换吸附以及络合反应。根据研究报道,对现有处理工艺的优缺点进行分析比较,结合预处理工艺和深度处理工艺,设计了湿法稀土冶炼氨氮废水处理工艺：化学沉淀-吹脱-吸附组合工艺,在满足同样出水中氨氮浓度的条件下,无论从投资估算还是运行费用看,该组合工艺都具有较大的优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表清单
• 符号说明
• 目录
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景及目的意义
• 1.1.1 世界稀土资源分布及稀土工业现状
• 1.1.2 包头市稀土冶炼氨氮废水产生与排放现状
• 1.1.3 稀土冶炼氨氮废水处理目的和意义
• 1.2 国内外氨氮废水处理技术进展
• 1.2.1 氨氮废水处理技术
• 1.2.2 稀土冶炼氨氮废水处理技术概况
• 1.3 稀土在水处理中应用的研究现状
• 1.4 研究成果及主要创新点
• 第二章 实验理论与研究方法
• 2.1 吸附的基本理论
• 2.1.1 吸附的定义
• 2.1.2 物理吸附与化学吸附
• 2.1.3 吸附等温线
• 2.1.4 吸附等温方程
• 2.1.5 吸附速率
• 2.2 研究内容及技术路线
• 2.2.1 研究内容和重点
• 2.2.2 技术路线
• 2.3 实验装置及方法
• 2.3.1 实验仪器设备及材料
• 2.3.2 吸附剂的制备方法
• 2.3.2.1 吸附剂载体的选择
• 2.3.2.2 吸附剂制备方法简介
• 2.3.3 动态吸附实验装置
• 2.4 本章小结
• 第三章 吸附剂制备条件对吸附性能影响的研究
• 3.1 吸附剂制备条件的选择
• 3.2 预处理条件对吸附的影响
• 3.2.1 硫酸浸渍浓度对吸附的影响
• 3.2.2 硫酸浸渍时间对吸附的影响
• 3.3 吸附剂制备条件对吸附的影响
• 3.3.1 镧离子浸渍pH值对吸附的影响
• 3.3.2 镧离子浸渍浓度对吸附的影响
• 3.3.3 镧离子浸渍时间对吸附的影响
• 3.3.4 微波功率对吸附的影响
• 3.3.5 微波时间对吸附的影响
• 3.3.6 正交试验设计及实验结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 镧负载粉煤灰基吸附剂对氨氮的吸附性能研究
• 4.1 吸附条件对吸附的影响
• 4.1.1 吸附条件的识别
• 4.1.2 吸附剂粒径对吸附的影响
• 4.1.3 吸附剂用量对吸附的影响
• 4.1.4 废水pH值对吸附的影响及脱氮后pH值的变化
• 4.1.5 吸附时间对吸附的影响
• 4.1.6 共存阳离子对吸附的影响
• 4.2 氧化镧稳定性影响因素研究
• 4.2.1 影响因素的识别
• 4.2.2 废水pH值对氧化镧稳定性的影响
• 4.2.3 吸附时间对氧化镧稳定性的影响
• 4.3 吸附热力学和动力学研究
• 4.3.1 等温吸附线测定
• 4.3.2 吸附速率曲线
• 4.3.3 吸附穿透曲线
• 4.4 本章小结
• 第五章 吸附剂的再生及再生性能研究
• 5.1 吸附剂再生方法的选择
• 5.2 饱和吸附剂的制备
• 5.3 吸附剂再生性能研究
• 5.3.1 再生溶剂的选择
• 5.3.2 再生pH值对吸附的影响
• 5.3.3 再生次数对吸附的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 吸附剂表征及吸附机理探讨
• 6.1 吸附剂的主要表征方法
• 6.1.1 X射线衍射法
• 6.1.2 X射线电子能谱分析法
• 6.1.3 电镜扫描法
• 6.2 吸附剂基本性质表征结果
• 6.3 吸附机理的初步分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 稀土冶炼氨氮废水处理方法探讨
• 7.1 稀土冶炼氨氮废水处理流程比选
• 7.2 稀土冶炼氨氮废水处理流程
• 7.3 经济技术分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 研究结论与建议
• 8.1 研究结论
• 8.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录:在攻读硕士期间发表的学术论文