馬蘭黃土吸附酸性老窯水中典型污染物的實驗研究

鄭 強, 張永波, 吳艾靜, 時 紅, 常 誠

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

酸性老窯水(acid mine drainage, AMD)是全球面臨的一項重大環(huán)境問題，其特點是低pH、高濃度硫酸鹽和重金屬離子[1]。近年來，在一些礦區(qū)，隨著老窯的廢棄或閉坑，導(dǎo)致酸性礦井水溢出地面，成為地表水體的“長期性污染源”[2]。此環(huán)境問題在煤礦和金礦等采礦活動地區(qū)尤為嚴重。因此，研究治理煤礦區(qū)的酸性礦井水已是迫在眉睫。

很多學(xué)者就AMD的治理展開了廣泛的研究。治理AMD的方法主要有以下3類：硫酸鹽還原菌(sulfate reducing bacteria, SRB)微生物處理法、化學(xué)處理法和礦物質(zhì)材料吸附法。其中，SRB微生物處理法不適合高硫酸鹽負荷以及酸性環(huán)境(pH<4)，且需要更長的停留時間[3-5]；化學(xué)處理法去除效率高，但其成本高且形成大量的污泥[6-7]；吸附法是利用礦物材料多孔介質(zhì)特性，能有效地將污染物吸附在表面，處理周期短，適用性強，且能循環(huán)使用。有學(xué)者以黃土作為吸附劑，研究其用于處理廢水重金屬的效果[8-10]。目前，利用黃土處理重金屬的研究較多，但是利用馬蘭黃土處理實際酸性老窯水的研究較少。

基于此，以山西陽泉市馬蘭黃土為吸附劑，以山西省陽泉市某礦區(qū)酸性老窯水為研究對象，通過吸附實驗，分析不同實驗條件下(黃土劑量、時間)馬蘭黃土對酸性老窯水中典型污染物的吸附特性；采用氫氧化鈉溶液對吸附飽和的黃土進行再生實驗，研究其對黃土的再生效果及再生次數(shù)；利用掃描電子顯微鏡(SEM)和X 射線衍射儀(XRD)測定分析黃土吸附酸性老窯水典型污染物的機理。研究成果可為治理酸性老窯水提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

表1 酸性老窯水典型污染物的成分

實驗黃土取自于山西省陽泉市山底河流域某礦區(qū)，為第四系上更新統(tǒng)馬蘭組黃土(Q3)。將野外取回的馬蘭黃土置于105 ℃烘箱中烘干至恒重，然后過篩(孔徑為0.075 mm)。根據(jù)BET (Brunauer-Emmett-Teller)理論，利用V-Sorb 2800TP儀器測試其比表面積、孔隙體積和孔徑。黃土的基本性質(zhì)如表2所示。

表2 黃土的基本性質(zhì)

1.2 實驗方法

1.2.1 靜態(tài)吸附實驗

污染物濃度去除率R由式(1)計算可得：

(1)

污染物濃度的吸附量qe由式(2)可得：

(2)

式中：C0為初始濃度，mg/L；Ce為吸附平衡濃度mg/L；v為溶液體積，L；m為質(zhì)量，g。

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1.2.2 黃土再生實驗

分別稱取4 g達到吸附飽和的黃土，將其置于100 mL離心管，加入40 mL再生液(1 mol/L氫氧化鈉)。在25 ℃條件下，200 r/min振蕩12 h。然后4 000 r/min離心5 min，去掉上清液。然后加入去離子水，清洗再生黃土，直至pH為中性。再進行吸附試驗，實驗重復(fù)3次，取平均值。再生實驗進行5次。

1.2.3 黃土吸附機理分析方法

(2)X射線衍射儀(XRD)。采用X射線衍射儀(XRD)測定分析吸附前后黃土的礦物成分，XRD測試儀器為日本Rigaku公司生產(chǎn)的Ultima Ⅳ。測試條件為銅靶，管壓40 kV，管流40 mA，掃描速度6 (°)/min，掃描范圍5°～65°。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃土劑量對酸性老窯水典型污染物的吸附性能

圖1 黃土劑量對酸性老窯水的吸附影響

2.2 吸附時間對黃土吸附酸性老窯水典型污染物的影響

圖2 吸附時間對黃土吸附酸性老窯水Fe、Mn和 Zn的影響

2.3 吸附動力學(xué)特性

利用準一級動力學(xué)模型和準二級動力學(xué)模型[13]研究了吸附反應(yīng)級數(shù)，并探討吸附機理。吸附動力學(xué)模型如下。

準一級動力學(xué)模型：

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

(3)

準二級動力學(xué)模型：

(4)

圖3 吸附動力學(xué)擬合曲線

表3 吸附動力學(xué)模型參數(shù)

2.4 黃土再生

圖4 黃土吸附-再生五次循環(huán)

2.5 黃土吸附酸性老窯水機理

圖5 黃土吸附前后掃描電鏡圖

圖6 吸附前后黃土的XRD圖譜

3 結(jié)論

(2)隨著經(jīng)過5個周期的重復(fù)使用和再生，再生黃土對酸性老窯水典型污染物的去除效率呈現(xiàn)下降趨勢。

(3)根據(jù)吸附實驗和SEM、XRD分析，馬蘭黃土對酸性老窯水典型污染物的吸附主要以化學(xué)吸附為主，伴隨物理吸附。