赤泥在水處理中的應用與研究現(xiàn)狀

郭 暉，馬名杰

（1.河南理工大學 萬方科技學院 ，河南 焦作 454000；2.河南理工大學 材料科學與工程學院 ，河南 焦作 454001）

赤泥是氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)物，每生產(chǎn)1.0t氧化鋁可產(chǎn)出1.0～1.3t赤泥，赤泥其化學成分極其復雜，屬強堿性廢渣。長期以來，一直采用堆積存放的方法來處理赤泥，但長期堆積將導致土壤堿化甚至污染地下水。隨著氧化鋁工業(yè)的發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強，如何有效利用赤泥已成為了當前人們研究的熱點問題。近年來，對赤泥利用的研究不僅包括回收赤泥中的有價金屬元素和非金屬元素、生產(chǎn)建筑材料、復合材料等，而且赤泥在廢水處理領域的研究與應用也是一個重要的研究方向。本文概述了赤泥在水處理中的應用與研究，并指出了其存在的問題和今后的發(fā)展方向。

1 赤泥的成分與性質

赤泥的成分與性質因不同的鋁土礦成分及氧化鋁生產(chǎn)工藝而有所不同。主要含有氧化鋁、氧化鈣、氧化鐵、氧化硅等，同時含有一定的氧化鉀、氧化鈉等物質，呈堿性。且赤泥顆粒分散性較好，粒度較小，比表面積和孔隙大，并具有膠結的孔架狀結構，在水介質中穩(wěn)定性較好，是一種很有前途的低成本吸附劑［1］。

2 赤泥在水處理中的應用

2.1 吸附重金屬離子

工業(yè)廢水的治理是水污染控制的主要任務之一。含重金屬離子的廢水，如源于礦山開采、有色冶金、機械加工、儀表電鍍、重金屬鹽化工等行業(yè)領域的重金屬離子，通過各種渠道進入水體后，對生物體及人類的危害很大。比如鎘能與生物體含巰基、羥基及氨基的蛋白質分子結合，從而抑制一些酶系統(tǒng)的活性，對人體產(chǎn)生的毒性效應主要表現(xiàn)為肺障礙病變和腎功能不良。鉛對人體的許多系統(tǒng)都有危害，最突出的影響是損害造血和心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和腎臟，主要表現(xiàn)在抑制血紅蛋白的合成、溶血和血管痙攣。因此，這些廢水在排放前必須進行處理［2］。

近年來，為了降低廢水的排放以及提高廢水經(jīng)處理后的質量，采用了化學沉淀、絮凝—浮選、離子交換和膜過濾等多種方法處理含重金屬離子的廢水，這些方法均有各自的優(yōu)缺點。而采用具有高的比表面積和孔隙率、較好的吸附性能的赤泥作為廢水中重金屬離子的吸附劑不僅能夠達到以廢治廢的目的，而且具有廉價且環(huán)保的雙重效益［3］。

Lopez等［4］用赤泥與硬石膏的混合物加水制成在水溶液中穩(wěn)定性好的集料，這種集料對重金屬離子吸附性能較強，48h的最大吸附量為：Cu 19.72mg/g；Zn 12.59mg/g；Ni 10.95mg/g；Cd 10.57mg/g。對城市污水中重金屬離子的連續(xù)吸附實驗表明，赤泥對 Ni2+、Cu2+、Zn2+的去除效率分別是100%、68%和56%。Gupta等［5］將拜耳赤泥用H2O2處理去除表面有機物，在500℃空氣氣氛中活化處理，用于吸附水體中的Pb2+、Cr6+重金屬離子。結果表明，活化赤泥對Pb2+、Cr6+有顯著的吸附性能，可在較寬的濃度范圍內(nèi)有效清除水體中的Pb2+和Cr6+。Zouboulis等［6］采用赤泥去除水中的 Ni2+，發(fā)現(xiàn)赤泥在去除Ni2+的同時可作為堿度調節(jié)劑。

國內(nèi)，將赤泥作為吸附劑去除廢水中重金屬離子的研究也不少。如王林江等［7－8］研究了赤泥對模擬廢水中鎘離子和鉛離子的吸附作用，以及反應時間、溶液中鎘離子、鉛離子初始濃度、赤泥的摻加量、溫度等因素對吸附的影響。結果表明，赤泥對鎘離子和鉛離子均有很好的吸附作用，對廢水中鎘離子的去除率最大可達99.4%。李鑫金等［9］用微波煅燒活化后的赤泥來研究其對含鉻廢水的處理效果。結果表明，活化赤泥對Cr3+和Cr6+均有較好的吸附作用。對于含Cr3+濃度在300mg/L以下的廢水，當赤泥在800W微波活化30min后，鉻含量和活化赤泥比為l∶200時，去除率可達99%以上，且在一定條件下，可使含Cr6+的廢水處理后達到國家排放標準。王馥琴等［10］采用赤泥作為廢水中重金屬離子的吸附劑。實驗結果表明，赤泥對 Pb2+、Cr3+、Cd2+、Zn2+、Ni2+的對數(shù)吸附等溫線都近似直線，基本符合Freundlich公式。當赤泥添加量為2.0g/L時，Pb2+、Cr3+和Cd2+的吸附率分別達到90%、94%、85% 以上。

2.2 吸附非金屬離子

隨著有色冶金、鋼鐵和鋁加工、焦炭、玻璃、電子、電鍍、化肥、農(nóng)藥、造紙制革和印染等工業(yè)的發(fā)展和工業(yè)廢棄物、生活污水等的排放，水中非金屬離子如As、F、P、N等的含量越來越大。我們知道，人體過量攝入氟，氟可與骨組織的羥磷灰石的羥基交換，并通過抑制骨磷酸酶或與體液中的鈣離子結合成難溶性氟化鈣，從而導致鈣、磷代謝紊亂，引起低血鈣癥、氟斑牙及氟骨癥等；砷是人體的非必需元素，砷的化合物均有劇毒，砷可以在人體內(nèi)積累，是致癌物質；而氮、磷等含植物營養(yǎng)物質的廢水進入天然水體，造成水體富營養(yǎng)化，藻類大量繁殖，耗去水中溶解氧，造成水中魚類窒息而無法生存、水產(chǎn)資源遭到破壞。因此，我們必須想辦法降低和防治非金屬離子對水體的污染。近年來，提出了很多治理非金屬離子對水體污染的方法，但對As、F、P、N的去除率通常有限，且運行成本高、處理工藝復雜。為此，尋求開發(fā)廉價、高效的吸附材料，已成為環(huán)境保護工作中的一項要任務［11］。

Altundogan等［12］研究了赤泥對 As（Ⅴ）和 As（Ⅲ）的吸附作用。發(fā)現(xiàn)堿性環(huán)境適合對As（Ⅲ）的去除，pH值在1.1～3.2時As（Ⅴ）的去除效果最佳。還研究了用熱處理（200～800℃）和酸處理（HCl）技術活化赤泥，發(fā)現(xiàn)酸熱活化赤泥對水體中的As的吸附受pH值影響較大。赤泥對As（Ⅴ）吸附的最佳pH值為1.8～3.5，而對As（Ⅲ）吸附的最佳pH值則是5.8～7.5。Cengeloglu［13］用赤泥吸附水體中的氟化物，經(jīng)HCl活化處理的赤泥對水體中F的清除效率為82%，比褐煤、高嶺石黏土、膨潤土作吸附劑的脫除率分別高出78%、63.8%和36%。Akay等［14］以赤泥作為交叉流微濾過程的載體清除水體中的磷酸鹽。研究表明：磷酸鹽的濾除效果與pH值、磷酸鹽/赤泥比例、共存離子濃度有關，當pH值為5.2時，濾除率可達100%。

國內(nèi)，許多學者開始對赤泥作為吸附劑吸附水中的非金屬離子進行研究。姚珺［15］、趙穎等［16］分別以赤泥為吸附劑去除廢水中的磷，考察了反應時間、初始pH值為和赤泥投加量等因素對除磷效果的影響。結果表明，赤泥具有很好的除磷能力，在各自的反應條件下，磷去除率可分別達到89.4%和98.2%。鄭雁等［17］采用山東鋁業(yè)赤泥對含氟廢水進行處理，研究了赤泥除氟的性能和影響因素。結果表明，赤泥對水中的氟離子有很好的去除效果，實驗條件下對氟的去除率可達95%以上。鄭越等［18］通過靜態(tài)振蕩試驗研究了赤泥對廢水中氨氮的去除效果，并與活性炭的脫氮性能進行比較。試驗結果表明：赤泥對氨氮的去除量隨著水中氨氮濃度的升高而增加，且赤泥對氨氮的去除效果強于活性炭。

2.3 吸附有機污染物

有機污染已成為日益嚴峻的環(huán)境問題，印染廢水因有機物含量高、色度深、妨礙太陽光的滲透作用、光合作用減弱，影響水體中的生物生長、水質復雜且成分波動大，已成為難處理的工業(yè)廢水之一。而染料通常不發(fā)生光降解和氧化分解，大多數(shù)染料也不能生物降解。目前國內(nèi)外處理印染廢水大多以生物法輔以物化處理為主，但脫色及COD去除效果較差，出水難以穩(wěn)定達到國家排放標準［19］。吸附是深度處理印染廢水行之有效的方法之一，而赤泥是一種具有廣闊應用前景的低成本吸附劑。

Namasivayam等［20－21］將赤泥用于吸附紡織染料廢水中的剛果紅和酸性紫，吸附效果較好。侯來廣等［22］在高溫下加熱赤泥使之脫水，利用赤泥中孔隙對污水溶液中COD的吸附作用進行研究。結果表明：赤泥對有機廢液具有一定的吸附性，并且吸附效果隨著煅燒溫度的升高而逐漸提高。張君［23］以微波酸活化赤泥為吸附劑，對酸性大紅染料廢水進行吸附脫色處理，當吸附時間為2h、pH值4.0、吸附劑投加量為15L時，活化赤泥對酸性大紅的脫色效果較好，去除率可達97.7%。

2.4 赤泥用于制備絮凝劑

由于以赤泥為原料制備的絮凝劑中含有大量的Fe3+和Al3+，具有較高的正電荷，可有效降低或消除水中懸浮膠粒的ξ電位，使其脫穩(wěn)。當在鐵鹽和鋁鹽中加入聚硅酸后，聚硅酸鋁鐵絮凝劑不僅對水中膠粒具有較強的電中和作用，而且同時具有吸附架橋作用。因此，不少學者開始了將赤泥用于制備聚硅酸金屬鹽復合型高分子絮凝劑的研究［24］。

Orescanin等［25］采用稀硫酸浸出赤泥后，經(jīng)過離心分離或真空過濾，制備了適于去除工業(yè)廢水中重金屬和濁度的固體聚硅酸鹽絮凝劑。羅道成等［26］在常壓通氧的條件下，用稀硫酸浸取制備了高效混凝劑聚硅酸鐵鋁，用于處理工業(yè)廢水的效果與聚合硫酸鐵相比，COD、色度和SS去除率分別提高了20%、28%和10%。王海峰等［27］以拜耳法赤泥為原料制備了聚合氯化鋁鐵，比聚合氯化鐵和聚合氯化鋁絮凝劑具有更好的絮凝沉淀效果。

3 結論與展望

眾所周知，目前廢水處理的任務十分艱巨，水處理吸附劑和絮凝劑的用量也在逐年增加。將赤泥作為吸附劑和絮凝劑應用到水處理中有效去除水中的重金屬離子、非金屬離子、有機染料等，不但使難以處置的赤泥資源化，同時具有工藝簡單、成本低廉、效果顯著等優(yōu)勢，是一種典型的以廢治廢的途徑。但是目前仍處于實驗室階段，尚存在一系列問題亟待解決：①直接利用原狀赤泥作為吸附劑來處理廢水，其吸附能力有限。

尋找廉價且高效的改性方法是赤泥作為吸附材料應用于水處理中的一個重要的研究方向。②用赤泥進行水處理，不僅赤泥留在水中會造成水體渾濁，而且由于赤泥本身成分復雜，屬堿性廢渣，用其處理廢水會導致水體的pH值發(fā)生變化，給水體帶進新的污染因素是不可忽視的。因此，如何使赤泥的凈水效果得到進一步提高，并將其帶入到水體中的污染物控制到最低，是今后的一個重要研究方向。③我們不能只探討赤泥在水處理方面的效果，還要考慮赤泥作為水處理劑之后的最終去處。如何處置吸附有大量污染物的赤泥，也是今后的一個重要研究內(nèi)容。④赤泥作為吸附材料處理水中的各種污染物的機理尚不完善，有待進一步研究。

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