赤泥對廢水中鎳離子的吸附處理研究

劉全忠等

摘要[目的]研究赤泥吸附廢水中鎳離子的特性。[方法]采用靜態吸附方法對赤泥吸附廢水中鎳離子的影響因素和特性進行研究。[結果]在反應溫度為25 ℃，振蕩時間為1.5 h條件下，向pH=6.7，50 mg/L含鎳廢水中投加2 g/L赤泥，鎳離子去除率近90%。隨著赤泥投加量、振蕩時間以及pH增加，鎳離子去除率逐漸增大。700 ℃焙燒赤泥較未經處理赤泥（原赤泥）的吸附能力略高。二級動力學方程可擬合赤泥吸附鎳離子的過程，Langmuir模型較好地描述赤泥對鎳離子的吸附熱力學特性，最大飽和吸附量可達192.308 mg/g。赤泥吸附鎳離子為吸熱反應，并且為自發行為。[結論]該研究可為資源的可持續利用和重金屬廢水的處理提供思路和依據。

關鍵詞赤泥；鎳離子；吸附；Langmuir模型

中圖分類號S181文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）29-248-02

赤泥是一種固體廢物，其產生量逐年增加。預計到2015年，我國赤泥累計堆存量將達3.5億t。《有色金屬工業中長期科技發展規劃（2006-2020年）》中將“尾礦、赤泥、爐渣固體廢棄物資源化技術”列為重點項目。赤泥堆存一是占用土地，污染土壤和地下水，二是赤泥中有用成分未加利用，也是資源的二次浪費。目前，赤泥引起的技術、經濟和環境問題，迫切需要氧化鋁工業達到無害排放或零排放，赤泥綜合利用也就成為煉鋁工業發展中急需解決的難題。

重金屬廢水是一類難治理的廢水，吸附法是處理此類廢水的有效方法之一。常用的吸附劑有13X分子篩、氫氧化鎂和膨潤土等。赤泥具有高堿性和較強的吸附性能，對廢水中重金屬既起到沉淀作用，又發揮其吸附能力，同時又實現赤泥（固體廢物）的減量化和資源化。研究表明，赤泥對廢水中的六價鉻、鎘、銅、鋅和鈣離子具有良好的吸附效果。電鍍、印染和電池等行業均產生含鎳廢水，鎳離子由于其毒性大，危害性強的特點，在《污水綜合排放標準》中被列為第一類污染物。因此，筆者針對赤泥的綜合利用以及含鎳廢水難處理的問題，以廢治廢，研究赤泥性質與含鎳廢水處理效果之間的變化關系，為資源的可持續利用和重金屬廢水的處理提供思路和依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

以硫酸鎳和蒸餾水配制含鎳離子2 000 mg/L的儲備液，試驗水樣由儲備液稀釋制得，水樣pH為6.7。赤泥取自中國鋁業山東分公司，為燒結法赤泥。赤泥經自然風干，破碎碾壓后，過100目篩，然后放于廣口瓶中備用。由于采用的鋁土礦成分、生產氧化鋁的方法以及添加物質的成分不同，不同鋁業廠家產生的赤泥化學成分各有不同，試驗中采用的赤泥化學成分組成：

SiO2 19.2%、Fe2O312.93%、Al2O3 7.84%、CaO 36.35%、MgO 1.30%、TiO2 412%、Na2O 7.22%、K2O 0.41%、灼減9.87%。

1.2焙燒赤泥

將赤泥放入馬弗爐中，分別在300、500、700和900 ℃下焙燒2 h。焙燒結束后，在干燥器中冷卻至室溫，存入廣口瓶中密封備用。

1.3試驗方法

將100 ml已知濃度的含鎳廢水置入250 ml具塞錐形瓶中，再加入稱取的一定量赤泥，然后將錐形瓶放于恒溫水浴振蕩器中在25 ℃，120 r/min條件下振蕩一段時間。取下樣品靜置5 min，以3 000 r/min離心5 min，采用原子吸收分光光度法測定上清液中鎳離子濃度，根據吸附前后水樣中鎳離子濃度差計算赤泥的吸附量。

2結果與分析

2.1吸附劑添加量的影響

改變未經焙燒處理赤泥（原赤泥）和700 ℃焙燒赤泥的投加量，振蕩時間為1.5 h條件下，處理濃度為50 mg/L，pH=6.7含鎳廢水。廢水中鎳離子的去除率隨投加量的變化關系見圖1。由圖1可知，在投加量少于1 g/L時，隨著赤泥投加量的增加，鎳離子去除率迅速增大。之后，鎳離子去除率增長緩慢，在投加量>4 g/L后，去除率趨于平穩。在相同條件下，700 ℃焙燒赤泥的吸附能力略高于原赤泥，赤泥經焙燒后，內部呈現多孔性，并且焙燒赤泥水分含量減少，相同質量下其比表面積大，因此吸附能力較強。在投加量為2 g/L時，鎳離子去除率接近90%，以下試驗部分赤泥的投加量均選用2 g/L。

2.2吸附動力學曲線

吸附反應的振蕩時間由5 min延長至2 h，試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，鎳離子初始濃度分別為50和100 mg/L，延長反應時間，鎳離子的吸附量均逐漸增大，并且變化趨勢相似。初始反應階段5～30 min，鎳離子的吸附量增加幅度較大；后續階段30～120 min，這種增加趨勢減緩。另外，相同條件下，焙燒赤泥的吸附效果好于原赤泥。描述吸附動力學過程的方程有雙常數模型、Elovich方程、二級動力學方程和拋物線模型等。將試驗數據吸附量和振蕩時間適當變形，采用上述方程進行擬合，結果表明二級動力學方程的擬合效果最好，相關系數>0.99。

2.3pH影響

使用酸或堿調節水樣的pH，固定赤泥投加量2 g/L和振蕩時間1.5 h，pH對50 mg/L含鎳廢水處理效果的影響見圖3。由圖3可知，赤泥處理酸性水樣，鎳離子去除率偏低。此時水樣中鎳離子與H+存在競爭吸附，pH越低，H+濃度越高，導致低pH時赤泥的吸附容量較低，從而出現鎳離子去除率偏低現象。水樣在堿性條件下，鎳離子將發生沉淀反應生成氫氧化鎳，水樣中鎳離子濃度有所降低，投加的赤泥吸附未發生沉淀反應的剩余離子。因此，在沉淀反應和吸附反應的共同作用下，堿性水樣中鎳離子去除率較高。

2.4吸附熱力學曲線

為進一步考察焙燒赤泥的吸附效果，選用經過300、500、700、900 ℃焙燒的赤泥進行試驗。調整水樣溫度為25、35、45和55 ℃，鎳離子初始濃度為10～400 mg/L，振蕩時間為24 h。赤泥吸附量與吸附平衡時鎳離子平衡濃度的關系見圖4。

由圖4可知，在初始濃度較低情況下（10～100 mg/L），鎳離子平衡濃度接近于零。水樣溫度越高，赤泥吸附鎳離子能力越強。在55 ℃反應溫度下，原赤泥對鎳離子的吸附能力最強，說明此類反應為吸熱反應；在初始濃度為400 mg/L時，平衡吸附量達到188.991 m g/g。在25 ℃反應溫度下，700 ℃焙燒赤泥相對原赤泥的吸附能力較強，但焙燒溫度過低或過高，赤泥的吸附能力反而有所下降。研究表明，焙燒溫度在600 ℃左右時，赤泥以SiO2 晶相為主，其內部結構呈現多孔性，吸附能力增強；當焙燒溫度過高，赤泥中鋁的相對含量減少，形成的鋁硅氧化合物結構發生變化，吸附能力反而降低。吸附等溫線Langmuir模型和Freundlich模型常用于吸附劑吸附特性及吸附量的表征。經擬合分析，Langmuir模型能更好描述赤泥對鎳離子的吸附特性。依據擬合的吸附平衡常數，計算自由能變ΔG0，結果如表1所示。

由表1可知，擬合方程的相關系數>0.96，Langmuir模型較好描述赤泥吸附鎳離子特性。反應溫度為25 ℃時，700 ℃焙燒赤泥和原赤泥的飽和吸附量最大，為149.254 mg/g。對比反應溫度的影響，55 ℃下，赤泥吸附量最大，飽和吸附量為192.308 mg/g。不同反應溫度下，ΔG0均<0，由此判斷赤泥對鎳離子吸附為自發過程，且溫度越高，ΔG0 越小，說明溫度越高自發程度越大。

3結論

（1）赤泥對廢水中鎳離子具有較強的吸附作用。赤泥投加量、振蕩時間以及pH增加，鎳離子的去除率均呈增大趨勢。

（2）二級動力學方程很好地擬合赤泥吸附鎳離子的過程，Langmuir模型描述赤泥對鎳離子的吸附熱力學特性，最大飽和吸附量為192.308 mg/g。700 ℃焙燒赤泥和原赤泥相比，吸附能力有所提高，但增加幅度不大。

（3）根據吸附能力隨反應溫度的變化關系，判斷吸附為吸熱反應，同時依據自由能變為負值，判斷吸附過程為自發行為。

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