钢渣处理酸性含铅废水的性能研究

发布时间：2017-10-13 14:04

  本文关键词：钢渣处理酸性含铅废水的性能研究

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【摘要】：铅作为一种重金属污染源,进入环境后不能被微生物降解,若不能被妥善处理,会对环境和人体造成巨大危害。因此需寻找一种安全可靠且经济有效的方式处理含铅废水。钢渣作为炼钢过程中产生的一种固体废弃物,具有较大比表面积和多孔结构,是一种良好的吸附剂。所以,本文利用钢渣作为一种酸性含Pb(Ⅱ)废水的处理剂。利用XRF、XRD、FTIR等测试手段对钢渣的组成和形貌进行观察。结果显示,钢渣的主要成分有CaO、SiO2、CaSiO4和钙铁复合氧化物等矿物成分。钢渣表面粗糙多孔,主要有羟基基团、含硅基团等。对原钢渣进行浸出毒性实验分析可知,利用废弃钢渣作为Pb(Ⅱ)废水的水处理剂无二次污染的风险。采用响应面优化法,探究钢渣对酸性含Pb(Ⅱ)废水的最佳吸附条件并采用Box-Behnken design法对吸附过程进行优化,以吸附率为响应目标,选择反应时间、钢渣粒径、初始浓度和钢渣投加量为主要因素,进行4因素3水平实验。结果显示,Pb(Ⅱ)去除率的理论最优值为76.32%,此时最佳吸附条件为：反应时间5 h、钢渣粒径80目、初始浓度12.11 mg/L、吸附剂用量0.77 g/L。对酸性含Pb(Ⅱ)废水进行动态吸附实验,探究钢渣粒径、填料层高度、进液流量、吸附柱高径比、初始浓度对吸附过程的影响。结果显示,增大钢渣粒径、降低柱高、增大流量、加大高径比、增加初始浓度均会缩短穿透时间。各操作条件下单位动态吸附量在32.21～110.45m∥g之间,吸附柱效率均达到51.15%以上,说明钢渣吸附柱对Pb(Ⅱ)的去除效果较好。动态吸附过程可用BDST模型很好地拟合(R2≥0.95)。研究了钢渣吸附Pb(Ⅱ)的机理。结果显示,Langmuir吸附等温模型、伪一级动力学模型可以很好地描述钢渣对Pb(Ⅱ)的吸附过程。热力学研究结果表明,钢渣对Pb(Ⅱ)的吸附是一个自发、吸热、熵增的过程。对滤液中离子成分的分析和对吸附Pb(Ⅱ)后钢渣的表征结果显示,吸附过程中主要存在离子交换和化学吸附作用。在一般铅蓄电池厂常用的废水处置方式中,对用传统化学沉淀法处置方式的药剂成本和用钢渣处置的药剂成本进行了比较。还比较了钢渣与活性炭等其他吸附剂的最大吸附量。结果显示,用钢渣作为Pb(Ⅱ)废水处理剂,药剂成本仅为0.34元/kg(Pb),在相同反应条件下,钢渣和活性炭对Pb(Ⅱ)的理论最大饱和吸附量分别为221.73 mg/g和130.38mg/g。由此可见钢渣用作Pb(Ⅱ)废水处理剂的药剂成本低且吸附量大,有良好的经济效益。
【关键词】：钢渣 铅离子 吸附 响应面优化 动态吸附 吸附机理 技术经济效益
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 酸性含铅废水的来源及处理现状11-12
• 1.1.1 铅蓄电池厂酸性含铅废水的性质与危害11
• 1.1.2 铅蓄电池厂酸性含铅废水的处理现状11-12
• 1.2 钢渣的来源及利用现状12-15
• 1.2.1 钢渣的来源及性质12-13
• 1.2.2 钢渣的资源化利用现状13-15
• 1.3 课题研究的目的、意义和内容15-17
• 1.3.1 课题研究的目的和意义15
• 1.3.2 课题研究的内容15-17
• 2 实验材料和方法17-27
• 2.1 实验材料17-18
• 2.1.1 钢渣17
• 2.1.2 实验试剂17
• 2.1.3 实验设备17-18
• 2.2 实验方法18-24
• 2.2.1 响应面优化实验设计18
• 2.2.2 动态吸附实验方法18-21
• 2.2.3 吸附机理探究实验方法21-24
• 2.3 分析方法24-27
• 2.3.1 Pb(Ⅱ)浓度测定24
• 2.3.2 钢渣成分分析及表征方法24-27
• 3 钢渣成分分析及表征27-33
• 3.1 钢渣的化学组成27
• 3.2 钢渣的矿物组成27-28
• 3.3 钢渣的红外光谱分析28-29
• 3.4 钢渣的微观形貌29
• 3.5 钢渣的比表面积和孔隙度29-30
• 3.6 钢渣用作水处理剂的生态风险评价30-31
• 3.7 本章小结31-33
• 4 钢渣对酸性含铅废水最佳吸附条件的响应面优化33-45
• 4.1 BBD法实验优化结果33-35
• 4.2 响应面分析35-41
• 4.2.1 粒径和反应时间35-36
• 4.2.2 浓度和反应时间36-37
• 4.2.3 投加量和反应时间37-38
• 4.2.4 浓度和粒径38-39
• 4.2.5 投加量和粒径39-40
• 4.2.6 投加量和浓度40-41
• 4.3 验证实验41-42
• 4.4 讨论42
• 4.5 本章小结42-45
• 5 钢渣对酸性含铅废水动态吸附研究45-55
• 5.1 不同操作条件下吸附柱相关参数计算结果45-46
• 5.2 不同操作条件对动态吸附的影响46-52
• 5.2.1 钢渣粒径46-47
• 5.2.2 进液流量47-49
• 5.2.3 吸附柱柱高49-50
• 5.2.4 吸附柱高径比50-51
• 5.2.5 进液浓度51-52
• 5.3 动态吸附过程出水pH变化趋势52-53
• 5.4 穿透曲线的BDST模型拟合53-54
• 5.5 本章小结54-55
• 6 钢渣对Pb(Ⅱ)去除机理探究55-67
• 6.1 吸附等温线研究55-57
• 6.2 吸附热力学研究57-58
• 6.3 吸附动力学研究58-61
• 6.3.1 伪一级伪二级吸附动力学模型58-60
• 6.3.2 离子内扩散模型60-61
• 6.4 钢渣吸附后滤液离子成分61-62
• 6.5 Pb(Ⅱ)在钢渣上赋存形态分析62-63
• 6.5.1 XRD62
• 6.5.2 FTIR62-63
• 6.5.3 SEM63
• 6.6 吸附Pb(Ⅱ)后钢渣溶出63-64
• 6.7 讨论64
• 6.8 本章小结64-67
• 7 技术经济分析67-73
• 7.1 钢渣与常用化学沉淀法药剂成本对比67-68
• 7.2 钢渣与常用吸附剂吸附量对比68-71
• 7.2.1 钢渣与活性炭对铅离子的吸附性能对比68-70
• 7.2.2 钢渣与其他吸附剂对铅离子吸附性能的对比70-71
• 7.3 吸附Pb(Ⅱ)后钢渣的资源化利用71-72
• 7.4 本章小结72-73
• 8 结论与展望73-75
• 8.1 结论73-74
• 8.2 展望74-75
• 致谢75-77
• 参考文献77-83
• 附录83

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