油页岩渣合成沸石及其对Cu2 +吸附性能研究

2015-12-24于忻邑周岐雄

应用化工 2015年1期

于忻邑，周岐雄

(新疆大学石油天然气精细化工重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046)

我国油页岩资源丰富，主要分布在吉林桦甸、广东茂名、辽宁抚顺等地，储量位居世界第四位［1］。目前油页岩的主要利用途径是提炼页岩油和直接燃烧发电，但利用过程中会产生大量废渣，大多将其直接丢弃堆置，不仅占用大量的土地资源，而且会造成严重的环境污染。因此，研究油页岩废渣的综合利用技术，提高废渣的综合利用率，是亟待解决的问题。

油页岩渣的主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO、Na2O、K2O 等，因此可考虑合成沸石［2］。本文以廉价且来源广泛的油页岩废渣为原料合成沸石，用于去除废水中的重金属离子，既能实现废物利用，还可以有效保护环境［3］。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

氢氧化钠、偏铝酸钠均为分析纯;油页岩渣化学成分见表1。

表1 油页岩渣的化学组成Table 1 The chemical composition of the oil shale residue

M18XHF22-SRA 型X 射线衍射仪;LEO1430VP型扫描电镜;722 型紫外分光光度计;HJ-6S 型恒温水浴搅拌器;QDZ5-HZS-H 型恒温水浴振荡器;GZX-9140 型数显鼓风干燥箱。

1.2 实验方法

将油页岩废渣和氢氧化钠按质量比1∶1 混合均匀后放入马弗炉中，800 ℃下碱熔活化2 h。冷却至室温，研磨至200 目。放入250 mL 烧杯中，加入100 mL 去离子水，60 ℃下搅拌2 h，得到悬浮液。过滤，滤液中加入一定量的偏铝酸钠溶液(调整硅铝比)，80 ℃下搅拌60 min，静置3 h。转移至不锈钢反应釜内，反应釜密封，于120 ℃下晶化12 h。抽滤，洗涤至中性，烘干，得到合成沸石。

1.3 吸附实验

称取一定质量的合成沸石，置于250 mL 烧杯中，加入45 mg/L 的Cu2+模拟废水20 mL，于30 ℃下匀速振荡30 min，静置1 h。取5 mL 上清液至容量瓶中，定容至50 mL，采用二苯基碳酰二肼分光光度法(GB 74670—87)测定Cu2+浓度，计算废水中Cu2+的去除率和吸附量。

式中 η——吸附剂对Cu2+的去除率，%;

C0——溶液中金属离子初始浓度，mg/L;

C——吸附后溶液中金属离子的浓度，mg/L;

Q——吸附剂对Cu2+的吸附量，mg/g;

V——溶液体积，L;

M——吸附剂质量，g。

2 结果与讨论

2.1 油页岩渣与合成沸石的SEM 分析

扫描电镜(SEM)分析，结果见图1。

图1 油页岩渣与合成沸石的SEM 图Fig.1 SEM of oil shale residue and synthetic zeolite a.油页岩渣;b.合成沸石

由图1 可知，油页岩渣表面粗糙，呈层状结构，并且形状大小极不规则，颗粒表面布满了大小不等的凹坑，孔隙结构较少，团聚比较严重;合成沸石呈现有特征的薄片状结构，片层结构尺寸比较均匀，表面规整，形成较多孔隙。

2.2 油页岩渣与合成沸石的XRD 衍射图谱分析

X 射线衍射(XRD)分析，结果见图2。

图2 油页岩渣与合成沸石的XRD 谱图Fig.2 XRD of oil shale residue and synthetic zeolite a.油页岩渣;b.合成沸石

由图2 可知，油页岩渣的矿相组成主要有石英、方解石、正长石，还有少量铝、铁等。主要成分SiO2和Al2O3呈非晶态，这表示Si-Al 之间的键合力较低，主要为硅铝酸盐。合成沸石的有序度较好，主要成分SiO2和Al2O3呈结晶态，且合成沸石的衍射图谱与JCPDS42-0216 标准卡片上沸石的特征峰基本完全吻合。

2.3 油页岩渣与合成沸石的BET 表征

由表2 可知，合成沸石具有较大的比表面和孔容，孔隙数目要多于油页岩渣，由此表明它具有较好的吸附作用。

表2 油页岩渣与合成沸石的结构特征Table 2 The structure of oil shale residue and synthetic zeolite

2.4 吸附剂用量对Cu2+去除率的影响

分别称取0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 g 合成沸石，放入5 个盛有20 mL 模拟废水的锥形瓶内，于30 ℃下振荡30 min，静置1 h，取上清液，用分光光度计测量清液中残留的Cu2+浓度，结果见图3。

由图3 可知，随着吸附剂用量的增大，Cu2+去除率增大，吸附剂用量由10 g/L 增加到20 g/L 时，Cu2+去除率快速增加，表现为曲线斜率最大;当吸附剂用量为20 g/L 时，油页岩渣和合成沸石对Cu2+去除率分别为92.6%和61.2%，进一步增加吸附剂用量，Cu2+去除率的增加幅度较小。合成沸石对Cu2+的去除率明显高于油页岩渣，且油页岩渣对Cu2+去除率的最佳用量为40 g/L，而合成沸石的最佳用量为20 g/L。