煤矸石負載殼聚糖制備重金屬吸附功能陶粒及其吸附性能研究①

□□ 高 翔，王 正，屈 湃，王 倩，苗 洋

(1.山西晉通企業資產管理有限公司，山西 太原 030000；2.太原鋼鐵集團粉煤灰綜合利用有限公司，山西 太原 030003；3.太原理工大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030000)

引言

近年來，由于飲用水源污染導致初生嬰兒致畸，村民致癌的問題屢見不鮮。作為污染物之一的重金屬離子，不僅極大地破壞了環境，而且嚴重影響著人們的身體健康[1-2]。山西省作為煤炭大省，每年伴隨有大量的煤矸石產生，作為固體廢棄物，煤矸石在侵占土地的同時也帶來大量的安全隱患[3-4]。在煤矸石的資源化利用過程中，大多數研究是將其作為添加料加入水泥中用于改善水泥的性能，同時達到降低生產成本的目的，而其在吸附材料方面的研究和應用少之又少[5-6]。

1 試驗

1.1 材料和儀器

煤矸石取自山西省忻州地區；殼聚糖、重鉻酸鉀均為分析純。Cr(VI)濃度測定采用722N紫外可見分光光度計；物相分析采用D2PHASER型X射線衍射儀；比表面積分析采用JW-BK122W比表面積及孔徑分析儀；造粒采用包衣機。

1.2 試驗原理和步驟

1.2.1 試驗原理

Cr(VI)濃度按照GB 7467—1987《水質 六價鉻的測定 二苯碳酰二肼分光光度法》測定，機理為Cr(VI)在酸性溶液中與二苯基碳酰二肼發生反應生成紫紅色化合物。

1.2.2 試驗步驟

將煤矸石破碎至400目(38 μm)以下，在800 ℃條件下煅燒(升溫速率為5 ℃/min，保溫時間為60 min，后隨爐冷卻)。稱取10 g殼聚糖溶解于1 L體積分數為5%的醋酸溶液中，加入150 g煤矸石攪拌，2 h后加入1.0 mol/L的NaOH溶液200 mL，繼續攪拌1 h之后過濾出煤矸石混合物，用去離子水洗滌至中性，置于電熱鼓風干燥箱中烘干，隨后倒入包衣機中造粒，篩選出3～5 mm的陶粒進行后續試驗。

1.3 試驗表征

煤矸石和經800 ℃煅燒的煤矸石XRD圖如圖1所示。

圖1(a)中觀察到代表高嶺石結構的“山”字峰，表明此狀態下的煤矸石晶形完整；圖1(b)中觀察到“饅頭”狀峰形，表明煤矸石煅燒后生成非晶態物質，800 ℃下呈現獨特的偏高嶺化。

煤矸石、800 ℃煅燒煤矸石的BET參數見表1。分析表1的BET參數可知，煤矸石經800 ℃煅燒后其比表面積和吸附孔徑均明顯增加。結合圖1可知，煅燒過程中伴隨脫羥除碳的發生，破壞了煤矸石的晶體結構，增大了其比表面積和內部空隙。

表1 煤矸石、800 ℃煅燒煤矸石的BET參數

2 結果與討論

2.1 煅燒溫度對煤矸石吸附性能的影響

將不同溫度下的煅燒煤矸石與殼聚糖制備的煤矸石陶粒用于對Cr(VI)的吸附，取1 g陶粒置于100 mL濃度為10 mg/L的Cr(VI)溶液中，進行3 h的吸附試驗，探究煅燒溫度對煤矸石對Cr(VI)吸附性能的影響。不同溫度煅燒后的煤矸石對Cr(VI)的去除率如圖2所示。

圖2 不同溫度煅燒后的煤矸石對Cr(VI)的去除率

由圖2分析可得，隨著煅燒溫度的上升，對Cr(VI)去除率先升高，在800 ℃達到最高點，而后開始急劇下降。煅燒溫度≤800 ℃時，隨著煅燒溫度的提高，煤矸石內部有機質揮發，自由水和結合水脫去，內部孔隙增大，分子活性增加，使得去除Cr(VI)的能力提高；煅燒溫度>800 ℃時，隨著溫度繼續增加，煤矸石出現“死燒”，部分熔融態阻塞內部孔隙，導致其對Cr(VI)的去除率降低。

2.2 陶粒投加量和Cr(VI)離子濃度對煤矸石吸附性能的影響

進行不同煤矸石陶粒投加量和Cr(VI)離子濃度下的吸附試驗，探究不同試驗條件對Cr(VI)去除率的影響，Cr(VI)去除情況如圖3所示。

圖3 Cr(VI)的去除率

由圖3(a)分析可得，隨著陶粒投加量的增加，對Cr(VI)的去除率不斷上升，增速越來越緩，當投加量達到0.8 g(8 g/L)之后去除率基本不變，保持在68%，說明此時陶粒對溶液中Cr(VI)吸附與脫附過程達到平衡。由圖3(b)分析可得，隨著Cr(VI)初始濃度的增加，去除率逐漸下降，降速越來越快，當濃度為10 mg/L時，去除率最大為75.6%，表明陶粒表面和內部的活性點位對Cr(VI)的吸附已進行充分。

3 結論

3.1 煤矸石經800 ℃煅燒后出現偏高嶺化，此時孔隙率增大，活性提高，按照質量分數15∶1負載殼聚糖后所制陶粒，對Cr(VI)離子具有很好的凈化效果。

3.2 當Cr(VI)初始濃度為10 mg/L，煤矸石陶粒投加量為8 g/L時，對Cr(VI)去除率可達到75.6%。