蛭石—水溶液混合离子体系中锌、镉离子的吸附特性与机理研究

论文摘要

随着工业化进程的加快,大量的重金属废水被直接排入到江河湖泊造成水体重金属含量急剧升高,导致我国各大水系受到了不同程度的重金属污染,水体重金属污染不仅加剧了可用水资源的短缺,而且也直接影响到饮水安全、粮食生产和农作物安全,最终危害人类健康。采用人工湿地处理含重金属离子废水是一种新兴工艺,其低能耗、低运行成本的优点吸引着众多研究者的关注。然而,与传统处理方法相比,人工湿地的缺点是处理能力及效率较低、占地面积较大、抗有机、重金属污染负荷与水力负荷能力有限并受季节气候的影响。在人工湿地中引入一个吸附单元添加具有高效吸附性能的填料是解决上述问题的有效方法之一。经典吸附方程都将等温条件下平衡吸附密度qe表达为平衡液相离子浓度e的一元函数,大量的实验结果证明经典等温曲线存在明显的吸附剂浓度效应（随着吸附剂浓度增大,传统意义上的吸附等温线下降的现象）,前人认为吸附剂浓度效应是溶液离子强度和pH值引起的,为了消除吸附剂对离子吸附的影响,往往采取引入缓冲溶液来控制系统的pH值和离子强度的办法；而后人则认为离子吸附反应的方向与速率取决于系统中离子量与吸附剂量的相对水平,产生吸附剂浓度效应的根本原因是由于液/固相离子吸附体系中的强度因子不是qe和Ce而是固相qe和液相的Ce/W0,因此,在做qe-Ce曲线图中必然存在吸附剂浓度效应。依据吸附系统中四个必要吸附组成成分（液相离子Ce、固相离子Qe、未被占据的吸附点wc、被离子占据的吸附点wc）提出了一个新的平衡离子吸附密度预测方程,但此方程基于单一离子吸附系统提出,其是否可用于混合离子体系有待于进一步的研究。因此,研究吸附剂浓度效应产生的真正原因、验证新的吸附定量模型在混合离子体系中的应用对于改进和完善液/固吸附理论具有重要意义。针对上述问题,本研究选用蒸馏水反复洗涤后烘干的蛭石作为吸附剂和蒸馏水作为溶剂,在起始浓度0.2mmol/L-2.0mmol/L和吸附剂浓度50-150g/L范围内,布置了一系列蛭石——水溶液混合离子体系和蛭石——缓冲溶液体系中对锌、镉、氨等的吸附试验以研究其吸附特征和吸附机理。主要研究结果如下：（1）天然蛭石具有储量丰富、价格低廉、吸附容量大、对环境无毒无害且容易再生等优点,能迅速、有效地去除水溶液中的Zn2、Cd2+、NH4+,适合作为人工湿地的填料；蛭石——水溶液体系中离子吸附的主要机制为交换性吸附；由于存在吸附点竞争效应,共存阳离子能抑制Zn2+、Cd2+的吸附。（2）缓冲实验结果表明：离子强度和pH值不是产生Wo应的根本原因,缓冲溶液的引入不仅没有消除吸附剂浓度,还增大了实验误差；缓冲系统存在着强烈的离子吸附竞争,大量其它阳离子的存在极大地抑制了Zn2+、Cd2+的吸附,致使缓冲系统的吸附量远远低于非缓冲系统。（3）在混合离子体系中,重复测试证实平衡离子吸附密度qe与C0/W0（起始点液相离子浓度C0与吸附剂浓度Wo的比值）与Ce/W0（平衡液相离子浓度Ce与Wo的比值）三者之间仍具有一一对应关系,观察到的现象再次表明液/固相混合离子吸附体系中的强度因子也不是qe和Ce而是固相的qe和液相Ce/W0。（4）在单一离子吸附系统中基于四组分模型推导出的平衡吸附预测模型：qe={co+qm-[（co+qm）2-4coqm（1-k）]1/2}/[2(1-k] co=C0/W0可进一步用来预测液/固混合离子体系的平衡吸附密度qe,qe-Co方程对混合离子体系的平衡吸附密度qe的预测证明：在混合离子系统中所有离子的吸附竞争能力遵循等当量浓度定律,即系统吸附的总当量为系统被吸附离子种类的当量和：qeT=∑qei,而离子A的吸附当量qeA为系统离子吸附总当量qeT与系统A离子浓度当量CoA与系统总离子浓度当量的比值的乘积,即qeA=（A离子的当量/总离子的当量）*qeT。（5）新模型对混合离子吸附系统中吸附密度qe的预测实验结果表明在较大检测范围内与实测数据拟合较好；新模型也可用来预测缓冲体系的平衡液相离子浓度Ce,但其预测的精确度比非缓冲系统差。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 锌、镉废水污染现状和环境标准
• 1.1.1 锌污染和环境标准
• 1.1.2 镉污染和环境标准
• 1.2 锌、镉废水处理方法
• 1.2.1 传统的锌、镉废水处理方法
• 1.2.2 蛭石吸附法处理重金属废水的研究进展
• 1.3 人工湿地法
• 1.3.1 人工湿地的发展简介
• 1.3.2 人工湿地净化废水机理
• 1.3.3 人工湿地在重金属废水处理方面的应用
• 1.4 液/固吸附理论在除锌、镉方面的研究和应用
• 1.4.1 液/固吸附原理与常用吸附模型
• 1.4.2 吸附理论在重金属废水处理的应用中存在的问题
• 1.5 本课题研究内容与目的
• 1.5.1 课题依据
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 课题意义
• 2 实验内容
• 2.1 吸附剂选择及其特性
• 2.2. 实验仪器及药品
• 2.2.1 实验药品
• 2.2.2 实验仪器
• 2.3 实验方法
• 4⁺混合系列配比实验'>2.3.1 锌、镉、NH₄⁺混合系列配比实验
• 2.3.2 单一离子与混合离子对比实验
• 2.3.3 缓冲系列与非缓冲系列对比实验
• 2.3.4 离子抑制实验
• 2.4 常用符号和吸附密度计算
• 2.4.1 常用符号定义
• 2.4.2 吸附密度计算
• 2.5 样品分析方法
• 3 缓冲液/固体系的离子吸附
• 3.1 缓冲系统的选择
• 3.2 吸附体系的离子强度
• 3.3 不同体系的离子吸附量
• 3.4 比值关系
• 3.4.1 qe-Ce曲线
• 3.4.2 qe-Ce/Wo曲线
• 3.5 模型预测
• 3.5.1 qe-co方程
• 3.5.2 缓冲系统中qe-co方程的应用
• 3.6 小结
• 4 混合离子体系
• 4.1 混合离子体系中的强度因子
• 4.1.1 浓度变化影响检验
• 4.1.2 体积影响检验
• 4.1.3 共存离子影响检验
• 4.2 混合离子吸附系统中吸附影响因素研究
• 4.2.1 蛭石吸附机理
• 4.2.2 单一离子吸附量与混合离子吸附量比较
• 4.2.3 各类离子吸附量的比较
• 4.2.4 离子抑制作用
• 4.3 qe-co方程预测
• 4.4 小结
• 结论与建议
• 1 结论
• 2 创新点
• 3 展望与建议
• 参考文献
• 附录A 部分平行样测定数据
• 附录B 攻读学位期间的主要学术成果
• 致谢