钢渣复合陶粒的制备及去除水中铅的研究

王冰， 张宝焓

钢渣复合陶粒的制备及去除水中铅的研究

王冰， 张宝焓

（沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110000）

以钢渣、碳和粘土为主要原料，来制备出一种可用于水处理中的陶粒，确定了陶粒的烧制条件，并且探究了该陶粒对水中的铅离子的吸附情况。结果表明：利用钢渣比表面积大、表面粗糙且内含有大量碱性氧化物的优势，可以制备出用于吸附废水中铅离子的陶粒，且陶粒有很好的吸附效果，并确定陶粒在配比为4∶4∶2，烧制温度为800 ℃，溶液的pH在6~10之间时，吸附效果非常好，吸附率随着投加量的增加而增加。

钢渣；陶粒；吸附；铅离子

钢渣是在钢铁行业的废弃物，钢渣的生产率约为粗钢产量的15%~20%[1]。目前，我国对钢渣的利用率仅为10%，主要用于建材等低附加值领域。基于钢渣特殊的矿物组成和物理化学性质，近些年来开发高附加值的产品正逐步成为钢渣利用的重要方向，而将钢渣的合理利用也成为了时下新的研究热点。

目前用钢渣处理废水主要是利用钢渣的吸附性和絮凝性[2]，包括去除水中铅、汞、铬、镍、铜、锌、磷、砷、氟等[3]，应用方式包括作为滤池滤料[4]、湿地填料[5]和制备吸附剂等。由于钢渣其表面有较强的碱性，微生物不适合在其表面附着生长，用作填料时钢渣只起到吸附剂的作用，需配合其他杂质。本文以普通钢渣配以碳和黏土，经高温焙烧制成钢渣陶粒，系统地研究分析了吸附时间、pH、陶粒的投加量、溶液初始浓度4种因素在吸附过程中对陶粒的吸附性能的影响。

1 实验方法

实验过程中使用的主要药品：硝酸铅、碳，分析纯，天津市鼎盛鑫化工有限公司；氢氧化钠，天津市鼎盛鑫化工有限公司；盐酸、粘土、钢渣。

选用钢渣、碳、和黏土作为原材料，经充分的搅拌确保三者混合均匀后，加入少量的水用手工搓制出粒径为5~10 mm的小球状陶粒， 在室温下自然干燥24~48 h，再焙烧制成陶粒。对原料配比、焙烧温度进行正交试验。

2 陶粒对去除水中铅的实验研究

2.1 陶粒的投加量对去除水中铅的影响

在6个烧杯中分别加入200 mL的含铅离子浓度为50 mg/L的试液，再分别加入0.5、1、1.5、2、2.5、3 g陶粒，搅拌时间为180 min，搅拌速度为130 r/m，让陶粒可以充分的吸附溶液中的铅离子。

图1 钢渣陶粒投加量对Pb2+的去除率和吸附量的影响

如图1所示，在加入200 mL初始浓度为50 mg/L的含铅试液后，随着钢渣陶粒的投加量的增加，铅离子的吸附率逐渐升高，在投加量为3 g时就可以达到95%以上，并且这一数据与大多数吸附研究相符合。因为随着陶粒的投加量的增加，可用来吸附的表面积增大，所以去除率会升高。在投加量较少的时候，单位质量陶粒吸附量大，这时的陶粒的吸附情况受到碰撞影响较小，此时陶粒的吸附接近饱和状态，但是随着投加量的增加，吸附量会减少，因为投加量增加，陶粒的数量增加，溶液中陶粒与陶粒之间的空间变小，并在伴随着搅拌的情况下，陶粒与陶粒之间相互的碰撞的几率增加，有效的吸附表面积下降，从而致使单位质量陶粒的吸附量减少。任新[6]研究污泥陶粒对水中六价铬的去除性能时，得出的结论是，随着投加量的增加，去除率逐渐增加，但是单位质量吸附剂的吸附量在减少。候婷[7]等的研究结果也得出同样的结论。

2.2 陶粒的吸附时间对去除水中铅的影响

在烧杯中加入200 mL的含铅离子浓度为50 mg/L的试液，之后加入3 g陶粒，搅拌速度130 r/m左右，进行吸附试验，以时间横坐标，吸附率为纵坐标进行曲线的绘制，然后通过分析得到最高效的吸附时间。

图2 时间对溶液中Pb2+的去除率的影响

由图2可得，吸附初期陶粒对铅离子的吸附速率较快，当吸附时间大于60 min时，铅的去除率可达到95%左右，并且在此阶段吸附速率较快，因为此时溶液中的铅离子较多，陶粒充足，有足够多的表面供铅离子吸附，陶粒与铅的接触机会较大，溶液中的铅离子可以快速的扩散到固液相界面，并且很容易附着在陶粒的表面，之后随着时间的增加，去除率增加较为缓慢，此时溶液中剩余的铅离子含量较少，同时陶粒的有效吸附表面被大量占用，铅离子开始逐渐从固液相的表面扩散到陶粒的内部，导致后期吸附率增长较为缓慢。

2.3 溶液pH对去除水中铅的影响

溶液的pH是影响钢渣陶粒的吸附情况的关键因素，因为在不同的pH下，溶液中Pb2+的存在形式的分布也会有所不同，本实验研究了在不同的pH下溶液中的Pb2+去除情况。通过盐酸和氢氧化钠调节溶液的pH，本实验溶液pH范围为4~10，Pb2+的初始浓度为50 mg/L，烧杯中加入200 mL溶液，加入3 g陶粒，吸附时间为180 min，搅拌速度130 r/m左右。吸附结果如图3所示。

图3 pH值对吸附性能的影响

由图3可知，在钢渣陶粒吸附性能方面，pH也有一定的影响。在pH值为4~10这个区间内，随着随着pH的升高，Pb2+的去除率先升高再保持平稳，说明在一定范围内提高pH可以提高陶粒吸附的效果，并且在实验过程中发现高pH值时溶液中出现絮状沉淀，这是因为在溶液中存在着铅离子的沉淀平衡Pb2++2(OH)=Pb(OH)2↓，以及溶液中水的电离平衡，当溶液呈碱性时溶液中的(OH)-浓度升高，促进了氢氧化铅沉淀的生成，提高了去除率，并且(OH)-被消耗，就会促进水的电离，促使溶液的pH像减小的方向变化。由图3可知，在溶液的pH增加到6之后，铅离子的去除率可提高到90%左右，达到一个较为理想的水平。在王士龙[8]的研究中也验证了随着pH的升高，铅离子的去除率也在提高。如果我们能够合理地调节溶液的pH值将会很大程度上提高废水中铅的去除效果。

2.4 溶液的初始浓度对去除水中铅的影响

初始浓度也是影响陶粒的吸附量的重要因素，本实验考察初始浓度对陶粒的吸附情况的影响。

此实验中Pb2+溶液的初始浓度范围为10~100 mg/L，在6个烧杯中分别200 mL溶液，加入3 g陶粒，放到搅拌机上进行搅拌，搅拌速度130 r/m左右，吸附时间180 min。结果如图4所示。

由图4可得，单位质量的陶粒的吸附量随着溶液的初始浓度的增加而增加，产生这种现象的原因是：在溶液中加入等量且足量的钢渣陶粒，溶液中的陶粒均处于吸附未饱和状态，随着初始浓度增加，溶液中的游离态的铅离子增加，提高陶粒表面与Pb2+接触的机会，能够更加有效地利用陶粒，从而导致单位质量的钢渣陶粒的吸附量增加；同时，铅离子的去除率在逐渐下降，但是下降速度缓慢，这是由于，增加溶液中铅离子的初始浓度，将会有更多的铅离子被吸附在陶粒表面，随着陶粒表面的铅的数量的增加，陶粒的吸附性能逐渐降低，最后会趋于一个饱和状态，所以铅离子的去除率会逐渐的下降，但是如果继续投加陶粒，铅离子的去除率还会上升回来。

图4 初始浓度对钢渣陶粒吸附Pb2+的影响

3 结束语

将钢渣资源化利用，以钢渣、碳和黏土为原料来制备出一种可用于水处理中的陶粒，确定了陶粒的烧制条件，并且探究了该陶粒对水中的铅离子的吸附情况。用钢渣作为主要原料，配以一定量的活性炭进行反应造孔，使陶粒多孔，提高吸附效果，并用黏土做黏合剂，烧制陶粒，既完成了钢渣的综合利用，又达到了净水的目的。陶粒在配比为 4∶4∶2，烧制温度为800 ℃，溶液的pH在6~10之间的情况下吸附效果非常好，吸附率随着投加量的增加而增加，但长期运行应考虑吸附饱和问题。

［1］程绪想，杨全兵.钢渣的综合利用[J].粉煤灰综合利用，2010（5）：45-49.

［2］ 刘晓， 李学莲， 曹国凭. 钢渣陶粒对废水中磷的吸附特性［J］. 工业水处理， 2014，34（1）：18-21.

［3］Barca C, Gérente C , Meyer D, et al. Phosphate removal from synthetic and real wastewater using steel slags produced in Europe［J.,2012,46 （7）：2376-2384.

［4］Pratt C ,Shilton A , Pratt S , et al. Phosphorus removal mechanisms in active slag filters treating waste stabilisation pond effluent［J］.2007,41 （9）：3296-3301.

［5］Korkusuz E A,Beklioglu M,Demirer G N. Use of blast furnace granulated slag as a substrate in vertical flow reed beds ： field application［J］.,2007,98（11）：2089-2101.

［6］任新.净水厂工艺废水中污泥制备吸附剂及对水中Cr6+的吸附特性[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

［7］候婷，王祝来.污泥陶粒对Ni2+吸附特性的研究[J].广州化工，2013，41（2）：96-98.

［8］王士龙.用陶粒处理含铅废水[J].济南大学学报，2003，17（3）：1-3.

Study on Preparation of Steel Slag Composite Ceramsite and Its Adsorption Performance for Lead Ions in Wastewater

,

（Shenyang Jianzhu University, Liaoning Shenyang 110168, China）

A kind of composite ceramsite was prepared from steel slag, carbon and clay, and suitable roasting temperature was determined. The adsorption of lead ions in wasterwater by the ceramsite was also explored. The results showed that, taking advantage of large specific surface area, rough surface and a large quantity of alkaline oxides insteel slag,the ceramsite suitable for adsorption of lead ions in wastewater was successfully prepared. And its adsorption effect was much better when the ratio of steel slag, carbon and clay was 4∶4∶2, the roasting temperature was 800 ℃, and the pH value of solution was between 6 and 10. Moreover, the adsorption rate increased with the increase of ceramsite dosage.

slag; ceramicite; adsorption; lead ion

2019-11-27

王冰（1983-），女，副教授，博士，辽宁省鞍山市人，研究方向：污水生物处理理论与技术及水质深度净化与膜分离技术。

张宝焓（1995-），男，在读硕士，研究方向：污水生物处理理论与技术。

X703

A

1004-0935（2020）03-0242-03