狄軍貞,楊瑞琪,董艷榮,鮑斯航,王顯軍
(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧阜新 123000)
在采礦過(guò)程中產(chǎn)生的廢水和場(chǎng)地排水對(duì)于整體的自然環(huán)境,尤其是對(duì)水資源會(huì)造成影響〔1〕。正常的水體被金屬礦山酸性廢水(acid mine drainage,AMD)污染后,首先造成水體中pH 降低,對(duì)水生物生長(zhǎng)環(huán)境造成危害,影響其生長(zhǎng)和繁殖;其次會(huì)影響當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境,并污染居民用水〔2〕。AMD 中Cr(Ⅵ)含量較高,從廢水中去除Cr(Ⅵ)是一項(xiàng)必要的任務(wù)〔3〕。水體中的鉻大多都是陰離子,例如Cr2O72-和CrO2-〔4〕,且Cr(Ⅵ)易溶于水,難去除。而Cr(Ⅲ)以陽(yáng)離子的形式存在,性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定并且在水里的溶解度較低,易于去除,因此Cr(Ⅵ)對(duì)環(huán)境的危害更大〔5〕。目前,吸附法去除廢水中鉻是應(yīng)用最為廣泛與靈活的一項(xiàng)技術(shù)〔6〕。為了可以有效地去除Cr(Ⅵ),研究者利用藻類、農(nóng)林廢棄物、微生物等作為生物吸附劑進(jìn)行吸附,但是這種生物吸附劑吸附水中鉻時(shí)受pH 影響大,而AMD 中pH 較低〔7〕,所以在吸附工藝中,吸附劑的選擇是核心〔8〕。褐煤的表面官能團(tuán)多,陽(yáng)離子交換性強(qiáng)〔9〕,且表面孔隙豐富,具有較大比表面積,在吸附過(guò)程中可以提供更多作用位點(diǎn),所以在重金屬修復(fù)方面,將褐煤作為制作吸附劑的材料不但可以廢物利用,以廢治廢,還可以創(chuàng)造一定的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益〔10〕。筆者擬采用Al2(SO4)3浸泡聯(lián)合高溫焙燒的改性方法對(duì)褐煤進(jìn)行改性,通過(guò)無(wú)惰性氣體保護(hù)的高溫焙燒方法脫去褐煤結(jié)構(gòu)中的自由水和結(jié)合水,使得褐煤表面的孔隙增大,并改變了褐煤原有的結(jié)構(gòu),提高褐煤的活性?;谶@種化學(xué)-物理改性方法,來(lái)對(duì)比改性和未改性的2種褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附效果,結(jié)合吸附等溫線、吸附動(dòng)力學(xué)原理等方法研究改性褐煤吸附Cr(Ⅵ)的特性和穩(wěn)定性。利用SEM、BET、XRD和FTIR進(jìn)行表征,分析改性和未改性2種褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附機(jī)理。
(1)改性褐煤:選用山西大同褐煤為原材料。選取60 目(0.25 mm)褐煤,用去離子水清洗3~4 遍,105 ℃烘干備用。樣品記為PAC。取5 g 預(yù)處理褐煤置于100 mL 0.1 mol/L Al2(SO4)3溶液中,放置在頻率為44 Hz 的超聲清洗機(jī)中震蕩60 min,用超純水反復(fù)清洗后置于馬弗爐中。將溫度分別設(shè)置為200、300、400、500、600 ℃,在無(wú)惰性氣體保護(hù)下焙燒2.5 h。樣品分別記為200 ℃-PAC、300 ℃-PAC、400 ℃-PAC、500 ℃-PAC、600 ℃-PAC。
(2)吸附實(shí)驗(yàn):取0.5 g改性褐煤置于50 mL 10 mg/L、pH=3 的Cr(Ⅵ)溶液中。在室溫條件下用磁力攪拌器攪拌,轉(zhuǎn)速設(shè)置為150 r/min,吸附時(shí)間為4 h。過(guò)濾后采用二苯碳酰二肼分光光度法(GB 7467—1987)測(cè)定濾液中的Cr(Ⅵ),通過(guò)下式計(jì)算出改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附率E(%)和吸附量qe(mg/g)。
式中:C0——溶液初始Cr(Ⅵ)的質(zhì)量濃度,mg/L;
Ce——吸附后溶液中Cr(Ⅵ)的質(zhì)量濃度,mg/L;
V——溶液的體積,L;
m——褐煤的質(zhì)量,g。
取100 mL,0.1 mol/L 的Al2(SO4)3溶液,加入褐煤后利用超聲清洗機(jī)震蕩60 min,用超純水多次清洗后置于馬弗爐中,焙燒溫度分別設(shè)置為200、300、400、500、600 ℃,在無(wú)惰性氣體保護(hù)的條件下焙燒2.5 h。不同焙燒溫度下的改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附率與吸附量見(jiàn)表1。
表1 不同焙燒溫度的改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附率與吸附量Table 1 Adsorption rate and capacity of Cr(Ⅵ)on modified lignite calcined at different temperatures
由表1 可知,經(jīng)過(guò)改性后的褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附能力有顯著提升,且隨著焙燒溫度的增加,改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附量先增后減,說(shuō)明高溫會(huì)使褐煤發(fā)生熱解反應(yīng),改變褐煤的結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)其活性〔11〕,但是過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致褐煤結(jié)構(gòu)崩塌〔12〕,當(dāng)焙燒溫度在500 ℃時(shí)吸附效果最好。吸附率可達(dá)99.04%,較原褐煤提高了62.24%。
褐煤改性前后的SEM(×1 000 倍)見(jiàn)圖1。
圖1 褐煤改性前后的SEMFig.1 SEM images of lignite before and after modification
由圖1 可知,褐煤的表面呈溝壑狀,且表面的孔隙發(fā)達(dá),在吸附實(shí)驗(yàn)中可提供較多的吸附位點(diǎn)。在經(jīng)過(guò)Al2(SO4)3超聲震蕩和高溫焙燒后,褐煤原有的表面變得更加粗糙,出現(xiàn)了許多的細(xì)小的孔狀結(jié)構(gòu),使得褐煤擁有更多吸附位點(diǎn),從而提升了改性褐煤的吸附能力〔13〕,為接下來(lái)改性褐煤吸附金屬離子提供更好的反應(yīng)條件。
褐煤及改性褐煤的孔容、孔徑及比表面積見(jiàn)表2。
表2 褐煤及改性褐煤的孔容、孔徑及比表面積Table 2 Pore volume,pore size and specific surface area of lignite and modified lignite
由表2 可知,原褐煤與改性褐煤的結(jié)構(gòu)均有比較發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu),改性后的褐煤比表面積和總孔容積都有所減少,平均孔徑增加,這可能是由于原褐煤經(jīng)過(guò)無(wú)惰性氣體保護(hù)高溫焙燒改性時(shí)發(fā)生初步熱解,結(jié)構(gòu)疏松坍塌堵塞部分孔道。同時(shí)Al(Ⅲ)附著在褐煤表面的孔隙中也可能會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象,導(dǎo)致比表面積減少。
褐煤改性前后的XRD 見(jiàn)圖2。
由圖2 可 知,2θ分 別 為20.792° 、26.679° 、36.099°、39.248°、50.118°、59.911°、67.720°時(shí)均存在SiO2衍射峰,表明了不同晶型的SiO2。通過(guò)原褐煤與改性褐煤對(duì)比可知,改性前后的晶體結(jié)構(gòu)并沒(méi)有太大的變化,且沒(méi)有在改性褐煤中發(fā)現(xiàn)有鋁單質(zhì)以及鋁氧化物的衍射峰,說(shuō)明利用Al2(SO4)3超聲震蕩并結(jié)合高溫焙燒改性的方法不會(huì)改變褐煤本身的微晶結(jié)構(gòu),鋁元素可能是以Al(Ⅲ)的形式負(fù)載在煤樣上,并沒(méi)有形成晶型〔14〕。原褐煤與改性褐煤均在2θ=20.792°和2θ=26.679°左右存在炭的002 面的衍射峰,可以推測(cè)原褐煤與改性褐煤均為無(wú)定型炭結(jié)構(gòu)〔15〕。
圖2 褐煤改性前后的XRDFig.2 XRD spectrum of lignite before and after modification
褐煤改性前后的FTIR 見(jiàn)圖3。
圖3 褐煤改性前后的FTIRFig.3 FTIR spectra of lignite before and after modification
由圖3 可知,譜帶在3 420 cm-1的區(qū)域?qū)?yīng)酚羥基伸縮振動(dòng)吸收峰,說(shuō)明原褐煤與改性褐煤表面都有羥基化合物存在,且褐煤經(jīng)過(guò)改性后在該位置的峰強(qiáng)度增大,說(shuō)明改性褐煤中羥基的含量有所增加,譜帶在3 300~2 800 cm-1的區(qū)域?yàn)镃—H伸縮振動(dòng)區(qū),其中在3 045 cm-1芳烴結(jié)構(gòu)中的—CH、2 920 cm-1和2 851 cm-1處亞甲基(—CH2)和甲基(—CH3)的吸收峰寬度與高度都有所減弱〔16〕。說(shuō)明在無(wú)惰性氣體保護(hù)的高溫焙燒改性條件下,褐煤發(fā)生了初步的熱解反應(yīng),—CH3和—CH2緩慢地與被吸附在煤表面的氧原子發(fā)生反應(yīng),生成了固體碳氧中間產(chǎn)物(如含羥基化合物或過(guò)氧化氫),最終生成穩(wěn)定的酚羥基、含羧基化合物等。其中在1 605 cm-1處的芳烴C==C 骨架振動(dòng)特征峰有所減弱;1 380 cm-1處醇類與酚類的—OH 吸收峰減弱;在1 250 cm-1處羥基化合物中C—O伸縮振動(dòng)峰增強(qiáng)。說(shuō)明改性過(guò)程中,由于褐煤的初步熱解導(dǎo)致芳烴中C==C、醇類與酚類的—OH減少,生成較小的羥基類、羧基類的小分子有機(jī)物。譜帶在900~600 cm-1的區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)碳鏈飽和烴的C—H吸收峰以及苯環(huán)上的C—H 面外變形振動(dòng)吸收峰,其中在775 cm-1附近的C—H 吸收峰有所減弱,說(shuō)明褐煤在改性過(guò)程中烯烴、烷烴結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞。
Cr(Ⅵ)的初始質(zhì)量濃度為10 mg/L,pH=3,設(shè)置500 ℃-PAC 的投加量分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1、1.5、2 g。將磁力攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)為150 r/min 持續(xù)吸附4 h 后過(guò)濾,測(cè)定濾液中Cr(Ⅵ)濃度。分析吸附率和吸附量隨500 ℃-PAC 投加量的變化情況,改性褐煤投加量對(duì)Cr(Ⅵ)吸附效果的影響見(jiàn)圖4。
圖4 改性褐煤投加量對(duì)Cr(Ⅵ)吸附效果的影響Fig.4 Influence of dosage of modified lignite on Cr(Ⅵ)adsorption
由圖4 可知,改性褐煤投加量從2 g/L 增至10 g/L時(shí),Cr(Ⅵ)的吸附率由40%提升到了96.84%,增加了56.84%,增長(zhǎng)速度快。吸附量由1.9 mg/g 減少到0.92 mg/g,減少了51.58%。當(dāng)改性褐煤投加量超過(guò)10 g/L 時(shí),吸附率的提升并不是十分顯著,當(dāng)改性褐煤投加量達(dá)到2 g 時(shí),Cr(Ⅵ)的吸附率僅提高了1.05%。說(shuō)明當(dāng)500 ℃-PAC 投加量為10 g/L 時(shí)吸附達(dá)到平衡,為最佳投加量。在達(dá)到平衡點(diǎn)之前,增加改性褐煤的投加量可以為Cr(Ⅵ)提供更多吸附點(diǎn)位,從而迅速增加吸附率,在達(dá)到平衡點(diǎn)之后,由于水中的Cr(Ⅵ)濃度已確定,即使增加改性褐煤的投加量也難以提升去除率〔17〕,且繼續(xù)增加投加量可能會(huì)引起改性褐煤顆粒團(tuán)聚導(dǎo)致總比表面積減少并增加擴(kuò)散路徑的長(zhǎng)度〔18〕。
Cr(Ⅵ)的初始質(zhì)量濃度為10 mg/L,pH=3,500 ℃-PAC 的投加量為10 g/L。吸附時(shí)間分別為30、60、90、120、150、180、240 min。吸附結(jié)束后用濾紙過(guò)濾,測(cè)定溶液中剩余Cr(Ⅵ)的濃度,確定其吸附飽和的時(shí)間,吸附時(shí)間對(duì)Cr(Ⅵ)吸附效果的影響見(jiàn)圖5。
圖5 吸附時(shí)間對(duì)Cr(Ⅵ)吸附效果的影響Fig.5 Influence of adsorption time on Cr(Ⅵ)adsorption
由圖5 可知,改性褐煤對(duì)廢水中Cr(Ⅵ)的吸附率和吸附量都隨時(shí)間的增加而增加,增加速率都會(huì)逐漸減小。反應(yīng)進(jìn)行到180~240 min 時(shí),Cr(Ⅵ)的吸附率和吸附量的變化都比較微弱,僅增加1.12%,說(shuō)明反應(yīng)已達(dá)到平衡狀態(tài)。經(jīng)過(guò)改性的褐煤可以為Cr(Ⅵ)提供更多的吸附位點(diǎn),對(duì)Cr(Ⅵ)有較強(qiáng)的親和能力。同時(shí)在酸性條件下,改性褐煤表面的正電荷與Cr(Ⅵ)陰離子有相互作用,會(huì)促進(jìn)Cr(Ⅵ)的快速吸附。吸附時(shí)間在0~4 h 時(shí),Cr(Ⅵ)會(huì)優(yōu)先進(jìn)入改性褐煤的表面微孔;此時(shí)溶液中的Cr(Ⅵ)濃度較高,吸附反應(yīng)動(dòng)力勢(shì)能較高,因而吸附率和吸附量的增長(zhǎng)速度快。吸附時(shí)間持續(xù)增加后,改性褐煤的活性位點(diǎn)相對(duì)含量逐漸減少,Cr(Ⅵ)主要擴(kuò)散到改性褐煤內(nèi)表面,傳質(zhì)速度下降,因此最佳吸附時(shí)間為4 h。
500 ℃-PAC 的投加量為10 g/L,pH=3,吸附時(shí)間為4 h,廢水中Cr(Ⅵ)的初始質(zhì)量濃度分別為10、30、50、70、90 mg/L。吸附結(jié)束后測(cè)定Cr(Ⅵ),分析改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)吸附率和吸附量隨Cr(Ⅵ)初始質(zhì)量濃度的變化情況,結(jié)果見(jiàn)圖6。
圖6 Cr(Ⅵ)初始濃度對(duì)吸附效果的影響Fig.6 Influence of initial concentration of Cr(Ⅵ)on adsorption
由圖6 可知,當(dāng)Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度由10 mg/L 增至90 mg/L 時(shí),吸附率由98.09%降至25.35%吸附率下降了72.74%,改性褐煤的吸附率在Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度達(dá)到50 mg/L后的下降速率減小;而改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附量由1.03 mg/g 增至2.12 mg/g,吸附量增加了105.83%。改性褐煤的吸附量在Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度達(dá)到30 mg/L 后增長(zhǎng)速度減緩。由于改性褐煤吸附酸性廢水中的離子是利用表面微孔進(jìn)行吸附,當(dāng)酸性廢水中投加定量的改性褐煤,Cr(Ⅵ)濃度越小,就可以獲得越多的活性位點(diǎn);當(dāng)溶液中Cr(Ⅵ)濃度較高時(shí),Cr(Ⅵ)被吸附到改性褐煤的表面微孔中并逐漸累積,使得改性褐煤表面的Cr(Ⅵ)迅速飽和,吸附能力降低。想要吸附其余的Cr(Ⅵ),要使其緩慢地?cái)U(kuò)散到改性褐煤的內(nèi)部,吸附過(guò)程將很難繼續(xù)進(jìn)行,因此選擇Cr(Ⅵ)的初始質(zhì)量濃度為10 mg/L。
Langmuir 等溫吸附模型:
Freundlich 等溫吸附模型:
式中:qm——飽和吸附量,mg/g;
qe——平衡吸附量,mg/g;
Ce——吸附平衡質(zhì)量濃度,mg/L;
k1——Langmuir 吸附平衡常數(shù);
k2和n——Freundlich 吸附平衡常數(shù)。
等溫吸附擬合曲線見(jiàn)圖7。
圖7 等溫吸附擬合曲線Fig.7 Isotherm adsorption curve
Langmuir、Freundlich 模型擬合特征參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 Langmuir、Freundlich 模型擬合特征參數(shù)Table 3 Fitting characteristic parameters of Langmuir and Freundlich models
由圖7和表3可知,改性褐煤吸附Cr(Ⅵ)的Langmuir和Freundlich方程的R2分別為0.989 9和0.969 4。2種等溫線模型均可以較好地?cái)M合改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附過(guò)程。但Langmuir 方程的R2較大,說(shuō)明對(duì)改性褐煤吸附Cr(Ⅵ)的過(guò)程更符合Langmuir 模型,對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附屬于均勻的表面單分子層吸附,即一個(gè)吸附位置都只存在一個(gè)鉻離子〔19〕。1/n值代表了整個(gè)體系吸附作用力的強(qiáng)弱,且0<1/n=0.299 6<1,說(shuō)明了改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能好〔20〕。
研究了改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附動(dòng)力學(xué)。采用準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合,探究吸附過(guò)程中改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附〔21〕。針對(duì)描述和預(yù)測(cè)整個(gè)吸附過(guò)程并找到合適的吸附動(dòng)力學(xué)模型,分析研究吸附量與吸附時(shí)間之間的關(guān)系〔22〕。
準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型:
準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型:
式中:qt——吸附時(shí)間為t時(shí)的吸附量,mg/g;
qe——吸附平衡時(shí)的吸附量,mg/g;
t——吸附時(shí)間,min;
k3、k4——準(zhǔn)一、二級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)常數(shù)。
圖8 改性褐煤吸附Cr(Ⅵ)的準(zhǔn)一、二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合Fig.8 Quasi first and second order kinetics fitting of Cr(Ⅵ)adsorption by modified lignite
表4 改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 4 Kinetic parameters of Cr(Ⅵ)adsorption by modified lignite
準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的R2分別為0.996 3和0.998 3,對(duì)比兩者之間雖然相差不大,但是準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的R2更接近1。且準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)的qe為1.083 4 mg/g,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)的qe為1.204 0 mg/g,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吸附量為1.18 mg/g,對(duì)比可知準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)的qe更接近實(shí)驗(yàn)所得的吸附量。說(shuō)明改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附反應(yīng)級(jí)數(shù)為二級(jí),吸附過(guò)程利用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程可以更好描述。改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附動(dòng)力學(xué)方程為:t/qt=t/1.204+18.799 9,R2=0.998 3,說(shuō)明改性褐煤吸附Cr(Ⅵ)主要是化學(xué)吸附。
(1)通過(guò)對(duì)比原褐煤與改性褐煤對(duì)AMD中Cr(Ⅵ)的吸附效果可知,在無(wú)惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行高溫焙燒的改性方法可以大大提升褐煤的吸附能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知,在焙燒溫度為500 ℃時(shí)改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附效果最好,吸附率達(dá)99.04%。原褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附量為0.42 mg/g,而改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附量為1.04 mg/g,說(shuō)明500 ℃焙燒的超聲波輔助Al2(SO4)2改性有利于提高褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附效果。
(2)由SEM、BET、XRD 測(cè)試結(jié)果可知,改性后的褐煤表面結(jié)構(gòu)變得更加粗糙,出現(xiàn)不均勻分布的細(xì)小孔狀結(jié)構(gòu),但褐煤原有的微晶結(jié)構(gòu)并未被破壞。由于使用無(wú)惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行高溫焙燒的改性方法,改性褐煤的結(jié)構(gòu)疏松坍塌堵塞部分孔道,使改性褐煤的比表面積和總孔容積都有所減少。由FTIR測(cè)試可知,在高溫焙燒的改性過(guò)程中,芳烴結(jié)構(gòu)中的—CH,環(huán)烷烴、脂肪烴中的—CH3與附著在褐煤表面的氧原子結(jié)合,生成含羧基化合物和酚羥基。改性過(guò)程破壞了褐煤中C—C、C==O、芳環(huán)中C==C骨架以及芳環(huán)側(cè)鏈結(jié)構(gòu),產(chǎn)生羥基類、羧基類小分子有機(jī)物,表面的羥基、羧基等含氧官能團(tuán)的增加為吸附過(guò)程提供吸附點(diǎn)位,有效提升褐煤吸附能力。
(3)實(shí)驗(yàn)通過(guò)靜態(tài)燒杯實(shí)驗(yàn),確定改性褐煤在pH=3 的固定酸性條件下,探討了改性褐煤投加量、吸附時(shí)間、Cr(Ⅵ)的初始濃度對(duì)改性褐煤吸附Cr(Ⅵ)的吸附率和吸附量的影響。確定了對(duì)于50 mL 含鉻酸性廢水,當(dāng)Cr(Ⅵ)的初始質(zhì)量濃度為10 mg/L、改性褐煤投加量為10 g/L,吸附時(shí)間300 min 時(shí),吸附效果最好。
(4)吸附等溫線和吸附動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果表明,改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附符合Langmuir 模型,擬合方程為Ce/qe=(Ce/2.430 3)+5.136,說(shuō)明改性褐煤均質(zhì)活性中心上有單層吸附。改性褐煤對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附過(guò)程符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,擬合方程為t/qt=t/1.204+18.799 9,說(shuō)明改性褐煤吸附Cr(Ⅵ)主要是化學(xué)吸附。