不同配比的膨润土-钢渣复合吸附剂处理AMD对比试验研究

摘要：为了能够廉价高效的治理酸性矿山废水（AMD），本试验采用不同配比的膨润土-钢渣复合吸附剂进行对比研究，筛选出处理AMD时更优配比的复合吸附剂，并揭示复合吸附剂对Cu²⁺、Zn²⁺的吸附机理。试验结果表明：5：5膨润土-钢渣复合吸附剂的吸附效果更佳，处理单一重金属离子时，对Cu²⁺的去除率达99.23%、Zn²⁺的去除率达97.15%;处理AMD时，反应150min，处理水pH值为7.0，Cu²⁺、Zn²⁺的去除率为98.41%、92.35%。

关键词：膨润土;钢渣;酸性矿山废水;重金属离子

中图分类号：X703;TD985

AMD具有pH值低，重金属离子浓度高等特点，对土壤结构和水环境有严重的危害，即使在矿山关闭，其造成的危害仍然会持续几十年甚至长达几百年^[1，2]，因此，探究切实有效的处理方法以减小AMD的危害乃当务之急。目前采用的方法大多数处理成本高，甚至造成二次污染，因此，寻找廉价高效的水处理材料一直是国内外学者研究的重点。

膨润土和钢渣来源广泛，价格低廉，均是良好的吸附材料。膨润土可通过吸附、离子交换、絮凝作用起到良好的净化污水效果^[3]。钢渣有良好的孔道特性，吸附性能良好，并且可释放碱度在中和AMD酸性、化学沉淀重金属离子方面效果优良。本试验采用自制膨润土-钢渣复合吸附剂处理AMD，通过对比膨润土和钢渣不同配比制造的吸附剂对AMD中pH值、Cu²⁺、Zn²⁺的处理效果，筛选出最佳配比的复合吸附剂，实现以废治废降低处理成本，并为膨润土-钢渣复合吸附剂应用于治理酸性矿山废水提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

材料：膨润土为钠基膨润土，取自辽宁省某膨润土矿;钢渣取自山东省某钢厂。

药品：所用药品均为分析纯，盐酸，CuSO₄?5H₂O，ZnSO₄?7H₂O，无水NaCO₃，硝酸。

水样：试验水样为模拟酸性矿山废水，调节pH值为4.0，Cu²⁺、Zn²⁺浓度分别为20mg/L、25mg/L。

1.2 膨润土-钢渣复合吸附剂制备

将膨润土粉末、钢渣粉末（目数均在200-300）分为质量比为5：5和8：2两种配比，粘结剂NaCO₃的掺量均为二者总量的5%，将以上材料加入蒸馏水混合搅拌均匀后，置于阴凉处陈化24h，制造成粒径约为2mm的颗粒，再避光通风陈化24h后，在500℃下焙烧1h，冷却至室温备用。

1.3 试验方法

本试验采用静态试验，取若干个250ml的锥形瓶，分别盛有100ml的浓度为20mg/L的Cu²⁺溶液、浓度25mg/L的Zn²⁺溶液，以及模拟酸性矿山废水。依次加入两种吸附剂各2g并密封，锥形瓶在25℃转速为100r/min的条件下，测定不同反应时间溶液中Cu²⁺、Zn²⁺、模拟AMD中重金属离子的剩余浓度值，计算去除率，以及测定模拟AMD中pH值的变化。

2 结果与讨论

2.1 两种复合吸附剂对Cu²⁺的吸附效果

取兩个250ml锥形瓶各加入100mL的Cu²⁺浓度为20mg/L的水样，依次加入2g两种复合吸附剂，其他条件按1.3节进行振荡反应，分别测定不同时间溶液中Cu²⁺去除率变化，试验结果如图1。

由图1可以看出，在前20min，两种吸附剂对Cu²⁺的去除效率显著上升，这是由于膨润土和钢渣对Cu²⁺的协同吸附效应。虽然随着时间的延长，两种复合吸附剂对Cu²⁺吸附量都逐渐增加，但是吸附速率不同，5：5吸附剂吸附速率明显高于8：2吸附剂，这是由于高吸附速率的复合吸附剂中钢渣所在比例较高，释放的碱度也更高，所以Cu²⁺可以与钢渣释放的碱度迅速结合，形成Cu（OH）₂沉淀，从而去除废水的Cu²⁺。由于吸附点位逐渐被占据，两种吸附剂对Cu²⁺的吸附速率也逐渐降低并趋于平稳。虽然两种吸附剂对Cu²⁺都表现了良好的吸附效果，8：2吸附剂对Cu²⁺去除率可达92.11%，但5：5吸附剂处理效果更优，最高去除率为99.23%，这是因为膨润土和钢渣均属于碱性吸附材料，释放碱度的能力钢渣>膨润土，吸附能力膨润土>钢渣，因此，钢渣所占比例越高，通过化学沉淀的Cu²⁺也越多。但是吸附材料的碱性释放能力有限，所以膨润土所占比例越高，对Cu²⁺的吸附性能也越强，因此，两种吸附剂对Cu²⁺的吸附量相差不多。

2.2 两种复合吸附剂对Zn²⁺的吸附效果

取两个250ml锥形瓶各加入100mL的Zn²⁺浓度为25mg/L的水样，依次加入2g两种复合吸附剂，其他条件按1.3节进行振荡反应，分别测定不同时间溶液中Zn²⁺去除率变化，试验结果如图2。

由图2可以看出，两种复合吸附剂对Zn²⁺的吸附量随着时间的延长逐渐升高，这是因为膨润土呈电负性且具有较大的比表面积，能迅速吸附Zn²⁺，使蒙脱石晶格中的阳离子与Zn²⁺发生离子交换吸附。而钢渣释放的OH^-碱度和CO₃^2-碱度会产生Zn（OH）₂沉淀和ZnCO₃沉淀，其他碱度会与Zn²⁺形成络合物，再通过絮凝作用使Zn²⁺络合物下沉还原吸附点位，从而促进反应的进行，使Zn²⁺的去除率得到提升。这是因为膨润土-钢渣复合吸附剂对Zn²⁺的产生离子交换、化学沉淀和絮凝等作用。5：5吸附剂在前20min对Zn²⁺的吸附速率迅速升高，之后反应速率减缓;而8：2吸附剂在前10min对Zn²⁺的吸附速率迅速升高，之后反应速率减缓，且5：5吸附剂对Zn²⁺去除率明显高于8：2吸附剂，这是因为反应初期钢渣大量释放碱度，通过化学沉淀作用快速去除Zn²⁺，5：5吸附剂中钢渣含量与碱度释放量均高于8：2吸附剂。因此，对Zn²⁺快速去除时间较8：2吸附剂更长，随着钢渣碱度释放量的减少，反应趋势减慢并趋于平稳。5：5吸附剂和8：2吸附剂对Zn²⁺最终去除率分别为97.15%、83.42%。

2.3 两种复合吸附剂处理AMD的对比试验

取两个250ml锥形瓶各加入模拟酸性矿山废水100mL，依次加入2g两种复合吸附剂，其他条件按1.3节进行振荡反应，分别测定不同时间AMD中pH值的变化及重金属离子的去除率，试验结果如图3、4。

由图3、4可以看出，两种吸附剂均可以中和AMD中的酸度，且较好的去除重金属离子，这是因为钢渣释放的碱度降低了AMD中H⁺与重金属离子的竞争吸附，提高了复合吸附剂对重金属离子的去除效果。5：5吸附剂比8：2吸附剂使废水达到中性时间更短，这是由于5：5吸附剂钢渣释放碱度大，对于pH值有更强的缓冲能力。两种吸附剂对重金属离子的处理效果均为Cu²⁺>Zn²⁺，这是因为矿物质对痕量金属元素的选择先后取决于金属元素的电负性^[4，5]，电负性越大，选择顺序越靠前，Cu²⁺的电负性大于Zn²⁺，此外离子半径和电价也是影响离子交换反应的重要因素^[6]，Cu²⁺的水合离子半径比Zn²⁺小，更容易与Si-O四面体中的阳离子发生交换反应。反应150min时，两种吸附剂对AMD的处理效果趋于平稳，5：5吸附剂效果优于8：2吸附剂，可使AMD中pH值变为7.0，Cu²⁺、Zn²⁺的去除率为98.41%、92.35%。

3 结论

（1）膨润土和钢渣通过离子交换、化学沉淀、絮凝等作用可以协同处理Cu²⁺、Zn²⁺，5：5复合吸附剂对单一重金属离子的处理效果均优于8：2复合吸附剂，Cu²⁺、Zn²⁺的最高去除率为98.21%、97.15%。

（2）对比两种吸附剂处理AMD的效果，5：5吸附剂的吸附效果更佳，最佳反应时间为150min，其钢渣含量与碱度释放量更高，可以更好地缓冲废水的酸性，有利于处理更低pH值的AMD，对废水中Cu²⁺的去除率高于Zn²⁺。

（3）膨潤土和钢渣廉价易得，吸附性能良好，是很好的污水净化材料，采用膨润土-钢渣复合吸附剂能够高效的处理AMD，对于AMD治理具有一定参考价值。

参考文献

[1] 邓川，陈韵竹，李瑶.矿山废水处理的研究综述[J].当代化工研究，2017（11）：57-58.

[2] 邵锐，潘鑫，张思宇，等.酸性矿山废水处理技术的分析与展望[J].绿色科技，2020（4）：8-10.

[3] WU S，JIANG J，LIANG Y，et al.Chemical precipi-tation synthesis and thermoelectric properties of copper sul?de[J]. J Electron Mater，2017，46：1-6.

[4] Lehto J，Koivula R，Leinonen H，et al. Removal of radionuclides from Fukushima Daiichi waste effluents [J]. Separation and Purification Reviews，2019，48（2）：122-142.

[5] 梁亚琴，张淑萍，李慧，等.改性蒙脱土去除水中重金属离子研究新进展[J].化工进展，2018，37（8）：3179-3187.

[6] 汤睿，王忠凯，刘坤，等.磁性有机膨润土对Cu （Ⅱ） 、Cd （Ⅱ） 、Mn （Ⅱ） 的竞争吸附[J].非金属矿，2019，42（04）：77-81.

作者简介：丁蕊（1989-），女，汉族，辽宁抚顺人，硕士研究生，助教，研究方向：水污染控制理论与技术