赤泥对含铜废水的吸附性能研究

陆爱华

(山东省聊城第二中学，山东 聊城 252000)

赤泥对含铜废水的吸附性能研究

陆爱华

(山东省聊城第二中学，山东 聊城 252000)

赤泥是氧化铝工业产生的固体废渣，由于其比表面积大，具有较好的吸附性能。本文将赤泥用于含铜废水的处理，并通过实验探索赤泥吸附含铜废水的条件。实验结果表明，赤泥吸附剂在pH值=4，投加量为6g/L，吸附时间为45min，在室温的条件下，吸附率可达到99.73%，吸附量可达90.9mg/g；进行了等温吸附模型研究，研究结果表明赤泥对Cu2+的吸附符合Langmuir吸附等温模型，Cu2+容易吸附在赤泥吸附剂的表面。本研究为工业固体废物赤泥的利用及含铜废水的处理提供了一种经济有效的途径。

赤泥； 含铜废水； 吸附

赤泥是从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物，因含氧化铁量大而外观呈红色得名。赤泥的产量巨大而利用率却很低以致大量堆存，已对人们的生产、生活造成直接或间接的影响[1]。随着近年氧化铝产业的急速发展，赤泥产出量急剧上升，赤泥堆存的形势愈加严峻[2-3]。因此，加强赤泥的利用研究逐步减少赤泥的堆存量，是一个十分迫切的课题。在含铜废水主要产生于铜的冶炼、加工以及电镀等工业生产过程中，这种废水排入水体中，会影响水的质量，造成环境污染。当水中铜含量低于0.01mg/L时，对水体自净有明显的抑制作用，超过3.0mg/L，会产生异味，超过15mg/L，就无法饮用[4]。工业含铜废水一般含铜高达几十mg/L，必须经过处理才能达到环境要求[5]。

本文以某氧化铝厂拜耳法赤泥为原料，用于含铜废水的处理，研究不同条件下对铜的吸附效果，为赤泥的利用及含铜废水的处理提供经济有效的方法。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验所用原料取自山东某铝厂拜耳法赤泥。

主要实验仪器：THZ-82型恒温水浴振荡器，KQ3200E型超声波震荡器，LD-4型电动离心机，TAS-986型原子吸收分光光度计。

1.2 赤泥样品表征

对实验所用赤泥原料进行矿物相成分及粒度分析，结果如图1、图2所示。

图1 赤泥样品的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of red mud sample

图1赤泥样品的XRD图谱分析表明，赤泥中主要含有赤铁矿(Fe2O3)、钙霞石(Na8(AlSiO4)6(CO3)2(H2O))、水化石榴石(CaAl2SiO4(OH)4)、铝硅酸钠(NaAlSiO4)、钙钛矿(CaTiO3)、石英(SiO2)、方解石(CaCO3)、一水硬铝石(Al2O3·H2O)等。其中以赤铁矿(Fe2O3)含量最高，其次是以Na8(AlSiO4)6(CO3)2(H2O)物相为主的钙霞石。该赤泥样品部分含有水合功能，整体物相的稳定性较高，不具有火山灰活性。

图2 赤泥样品粒度分布Fig.2 Grain size distribution of red mud sample

由图2粒度测定结果可知，赤泥样品颗粒较细，粒径95%以上集中在0.005～0.05 mm之间。可见颗粒的级配较好，并且颗粒比较细。该赤泥颗粒具有比较发达的比表面积，有较强的吸附能力，适合用于制备吸附剂。

1.3 实验方案

向250mL锥形瓶中加入10g赤泥和50mL蒸馏水，置于恒温水浴振荡器内，40℃下振荡10min洗去赤泥中可溶性盐，防止废水处理中引入新的污染。洗涤三次，过滤，烘干制得赤泥吸附剂。然后进行赤泥吸附剂对含铜废水的吸附实验及吸附等温实验。利用原子吸收分光光度法测定溶液中剩余Cu2+的浓度。考察赤泥投加量、pH、吸附时间、吸附温度等条件对吸附效果的影响。

2 实验结果与分析

2.1 赤泥投加量对Cu2+吸附效果的影响

将50mL 100mg/L的Cu2+溶液置于250mL的锥形瓶，分别投加0.05，0.1，0.15，0.20，0.25，0.30，0.35，0.4g赤泥，即吸附剂投加量为1，2，3，4，5，6g/L。溶液pH值为4，室温下在恒温水浴振荡器中振荡20min，过滤，测定Cu2+浓度并计算Cu2+去除率。结果如图3所示。

图3 吸附剂投加量对Cu2+去除率的影响Fig.3 The effect of dosage on Cu2+ removal rate

图3表明，随着吸附剂投加量的增大，Cu2+的去除率随之增大。当投加量达到6g/L时，去除率可达99.70%，之后随投加量增大，去除率趋于稳定。

2.2 溶液pH值对Cu2+吸附效果的影响

由于Cu2+在溶液中存在共沉淀作用，Cu2+的去除可能是吸附作用与共沉淀作用共同作用的结果。为了消除共沉淀作用对吸附作用的干扰，根据Cu(OH)2的Ksp=2.2×1020[6]，计算可得使Cu2+沉淀的pH值为5.57。实验中溶液pH值考察范围为1～6。将50mL100mg/L的Cu2+溶液置于250mL的锥形瓶，在投加量为6g/L，反应时间为20min的条件下，考察pH值对吸附效果的影响。实验结果如图4所示。

图4 pH值对Cu2+去除率的影响Fig. 4 The effect of pH on removal efficiency Cu2+

由图4可知，当pH值低于2时，赤泥吸附剂对Cu2+的吸附性能较差，当pH值高于3，吸附性能明显提高，Cu2+能达。这是因为Cu2+的吸附是通过表面络合反应，即Cu2+和吸附剂表面的活性位点之间的静电引力，在pH值低于2的溶液中H+浓度较高，会与Cu2+竞争吸附剂表面的活性位点[7]，使赤泥吸附剂对Cu2+的吸附效果较差。另外，酸性较强的介质中，赤泥结构中的Al3+和Fe3+被H+替代，只剩下硅酸盐骨架，使赤泥结构中空隙变大，故而不能被很好地吸附。为了消除共沉淀作用的干扰，并且Cu2+去除率从pH值大于4以后增幅不明显，选用pH值=4为吸附反应pH值。

2.3 吸附时间对Cu2+吸附效果的影响

将赤泥吸附剂以6g/L的投加量加入到50mL浓度为100mg/L的含铜废水中，调节pH值=4，在恒温水浴振荡器中反应，每隔5min取一次样，过滤，测定Cu2+浓度并计算Cu2+去除率。实验结果如图5所示。

图5 吸附时间对Cu2+去除率的影响Fig.5 The effect of adsorption time on removal efficiency Cu2+

图5表明，随着吸附时间的延长，Cu2+的去除率也随之增加，在反应时间达到45min时，吸附剂对铜的吸附趋于稳定，因此，选取45min作为吸附反应时间。

2.4 吸附温度对Cu2+吸附效果的影响

将赤泥吸附剂以6g/L的投加量加入到50mL，pH值=4，初始浓度为100mg/L的含铜废水中，在恒温水浴振荡器中分别在不同温度下进行吸附，吸附时间45min。过滤，测定Cu2+浓度并计算Cu2+去除率。实验结果如图所示。

图6 吸附温度对吸附量的影响Fig.6 The effect of temperature on adsorption

如图 6所示，温度变化对赤泥吸附Cu2+的去除率影响很小，在45min内均能达到 99%以上，同时去除率随温度升高略有上升的趋势，这就表明该吸附过程可能是吸热反应。随着温度的升高，Cu2+的迁移速率加快，增大了其与吸附剂表面的碰撞几率，从而吸附效果增强。实验也表明赤泥吸附剂对去除Cu2+有很强的温度适应性，在10～80℃的温度范围内，均能达到很好的去除效果。因此温度不是影响吸附效率的主要因素，考虑到经济因素，选取室温作为反应温度。

2.5 赤泥等温吸附数学模型研究

在吸附剂投加量为6g/L，pH值=4的条件下，选取不同初始浓度的铜溶液，在室温下，恒温水浴振荡3h。过滤，测定Cu2+浓度并根据测定数据绘制吸附等温回归曲线。吸附容量的计算式为：

(1)

式中：C0为原水中Cu2+的质量浓度，mg/L；Ct为吸附反应t时刻Cu2+的质量浓度，mg/L；V为原水体积，L；m为吸附剂质量，g。

对单一组分的溶质，其吸附等温线有两种形式[8]，一种是Langmuir等温式，其表达形式为：

(2)

式中：Ce为吸附平衡时Cu2+的质量浓度，mg/L；qe为吸附平衡时吸附剂的吸附容量，mg/g；qm为吸附剂的最大吸附容量，mg/g；kL-Langmuir常数。

将实验数据以Ce/qe为纵坐标，Ce为横坐标，绘制赤泥Langmuir等温吸附回归曲线，如图7所示，并求得最大吸附量qm和Langmuir常数kL，见表1。

另一种是Freundlich等温式，其表达形式为:

(3)

式中： kF为Freundlich常数；n-常数，通常认为1/n介于0.1～0.5为容易吸附；1/n>2时难以吸附。

将实验数据以logqe为纵坐标，logCe为横坐标，绘制赤泥Freundlich等温吸附回归曲线，如图8所示，并求得n与k值，见表1。

图7 赤泥对Cu2+的Langmuir吸附等温回归线Fig.7 Langmuir isotherm of red mud on Cu2+

图8 赤泥对Cu2+的Freundlich吸附等温回归线Fig.8 Freundlich isotherm of red mud on Cu2+表1 吸附Cu2+的吸附等温常数Table 1 Values of adsorption isotherm parameters for adsorption of Cu2+

LangmuirFreundlich温度/℃qmbR2KFnR22090．9090．1880．995611．7842．0190．7053

图7和图8表明，与 Freundlich 模型相比，Cu2+在赤泥表面的等温吸附与Langmuir 模型拟合效果更好。从表 1中也可看出，Langmuir模型的决定系数R2为 0.9956，而 Freundlich 模型的R2为 0.7053，表明Cu2+在赤泥表面的等温吸附更符合 Langmuir模型，即为单分子层吸附理论。从表1中还可以看出，n=2.019，表明Cu2+容易吸附在赤泥吸附剂的表面，最大吸附量可达90.909 mg/g。

3 结论

实验表明，赤泥吸附剂对Cu2+有较好的吸附效果，在赤泥投加量为6g/L、pH值=4、室温条件下，吸附时间45min，吸附率可达99.73%，最大吸附量可达90.909mg/g；赤泥对Cu2+的吸附符合Langmuir吸附等温模型。本研究为工业固体废物赤泥的利用及含铜废水的处理提供了一种经济有效的途径。

[1] 南相莉, 张廷安, 刘 燕, 等. 我国主要赤泥种类及其对环境的影响[J]. 过程工程学报, 2009 , 9 (s1) : 459-464.

[2] 李小平. 平果铝赤泥堆场的边坡环境问题与治理对策研究[J].有色金属(矿山部分), 2007,59(2):29-32.

[3] 姜怡娇,宁 平.氧化铝厂赤泥的综合利用现状[J].环境科学与技术, 2003(1):40-42.

[4] 宋春丽，陈兆文，樊海明,等. 含铜废水处理技术综述[J].舰船防化, 2008(2):22-25.

[5] 舒 颖，吴彩斌，胡雪峰,等. 粉煤灰活性炭处理含铜废水的性能[J].环境化学,2013,32(5):819-826.

[6] 武汉大学主编. 分析化学[M].4版.北京：高等教育出版社, 2000: 339.

[7] 曾佳佳,王东波,冯庆革,等. 改性赤泥吸附废水中Cr(Ⅵ)的研究[J].广西大学学报(自然科学版) , 2013,38(3):673-678.

[8] 天津大学物理化学教研室编. 物理化学下册[M]. 4版.北京：高等教育出版社, 2001: 167-168.

(本文文献格式：陆爱华.赤泥对含铜废水的吸附性能研究[J].山东化工，2017，46(14)：178-181.)

Study on Adsorption Performance of Red Mud to Copper - Containing Wastewater

LuAihua

(No.2 Middle School, Liaocheng, Shandong 252000, China)

Red mud is the solid waste produced by the alumina industry, which has good absorption property due to its large specific surface area. In this paper, red mud is used for the adsorption of copper-containing wastewater, and the adsorption conditions are studied. The experimental results show that the adsorption rate of the red mud adsorbent is up to 90.73% and the adsorption capacity is up to 90.9mg/g at room temperature under the condition of pH=4, dosage of 6g/L and adsorption time of 50min. The isothermal adsorption model is studied, the results show that the adsorption of Cu2+ on red mud is corresponding with the Langmuir adsorption isotherm model，and Cu2+is easily adsorbed by red mud. This study provides an economic and effective way of industrial solid wastes using and wastewater containing copper treatment.

red mud;copper-containing wastewater; absorption property

2017-05-09

陆爱华(1974—)，女，山东聊城人，中学一级教师，大学本科，主要从事化学教育及固体废物的综合利用方面的研究。

TG146.4+51

A

1008-021X(2017)14-0178-04