给水厂残泥及其免烧陶粒处理含铊废水性能研究

作     者：卿英俊 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张俊丰;付广义

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：含铊废水 给水厂残泥 免烧陶粒 吸附性能 

摘      要：铊(Tl)是一种剧毒重金属，在水体中主要以Tl(Ⅰ)的形态存在，已被列为优先有毒污染物。我国含铊矿产资源丰富，随着含铊矿物在工业活动中的大量使用，水体铊污染事件频发，严重威胁人民群众饮水安全及生态环境安全。吸附法是高效处理含铊废水的主要手段之一，而吸附材料直接决定了吸附法处理效果与运行成本。给水厂残泥(WTR)是给水厂的副产物，富含Fe或Al,大量研究已证实WTR是一种优良的重金属吸附材料，对铅、镉及砷等重金属具有较强的吸附能力，但对铊的吸附性能鲜有报道。为全面探究WTR作为铊吸附材料的可行性，本研究全面探究了铁系及铝系WTR粉末(分别记为Fe-WTR、Al-WTR)对Tl(Ⅰ)吸附特征与机制，同时为解决WTR在实际水处理中易堵塞、难沉降等应用问题,分别研制了铁系及铝系WTR免烧陶粒(UCWTR-Fe、UCWTR-Al),采用批量吸附、动态吸附及解吸附实验，全面考察了其对废水中Tl(Ⅰ)的吸附性能，具体研究结果如下: (1)通过XRD、FTIR、BET等手段，研究得出WTR比表面积大，所含铁、铝均为无定型态，同时富含-OH、Al-O、Fe-O等活性功能基团;WTR免烧陶粒(UCWTR-Fe/Al)主要以C-S-H凝胶结构存在，各类重金属浸出浓度极低，富含-OH、Al-O、Fe-O、Si-O-Si、O-Ca-O等多种功能基团，且基本性能符合《水处理用人工陶粒滤料(CJ/T299-2008)》。 (2)Fe-WTR和Al-WTR对Tl(Ⅰ)的吸附均呈现快吸附-快平衡特征，在120min内即可达到平衡状态;Fe-WTR和Al-WTR对Tl(Ⅰ)的吸附动力学均符合准一级动力学和二级动力学模型，其Langmuir等温吸附拟合的最大吸附量分别为3.751mg/g和0.690mg/g;Fe-WTR和Al-WTR对Tl(Ⅰ)的吸附量均随pH升高而增大;Fe-WTR中Tl(Ⅰ)主要以可还原态存在，而Al-WTR则主要为酸可交换态。总体上，Fe-WTR对Tl(Ⅰ)吸附能力高于Al-WTR。 (3)UCWTR-Fe和UCWTR-Al对Tl(Ⅰ)的吸附均呈现快吸附-慢平衡的过程,在6h内吸附量可达到95％,吸附最终达到平衡的时间为48h;UCWTR-Al和UCWTR-Fe对Tl(Ⅰ)的吸附过程更适合准二级动力学模型，吸附过程是以化学吸附为主导;UCWTR-Fe的Langmuir等温吸附拟合的最大吸附量略高于UCWTR-Al,且最大吸附量分别为5.421mg/g和5.360mg/g;与WTR相似，UCWTR-Al和UCWTR-Fe对Tl(Ⅰ)的吸附量随pH升高而增大;共存离子中K+对Tl(Ⅰ)的抑制作用最为显著;UCWTR-Al和UCWTR-Fe中Tl(Ⅰ)的赋存形态均以可还原态为主。总体上，UCWTR-Fe对Tl(Ⅰ)吸附能力优UCWTR-Al,且UCWTR-Fe/Al的吸附能力明显高于Fe/Al-WTR。 (4)两种WTR及其免烧陶粒均可通过静电作用吸附Tl(Ⅰ),并通过-OH基团与Tl(Ⅰ)发生离子交换形成Al/Fe-O-Tl络合物;此外，两种WTR免烧陶粒还可与Tl(Ⅰ)发生固化反应形成C-S-H凝胶与Tl(Ⅰ)的螯合产物。 (5)UCWTR-Fe的动态吸附量随吸附层高度、进水浓度、pH增大而增大,随进水流速升高而减少，其中pH对动态吸附效果的影响最为显著，当pH由2.4升至7时，UCWTR-Fe的动态吸附量增加57.5％。在NaOH、H2SO4、Na2SO4等解吸剂中，H2SO4对UCWTR-Fe的解吸效果最好;当H2SO4的解吸浓度和时间分别为0.5mol/L和8h时,其对Tl(Ⅰ)的最佳解吸率为70.34％;解吸后UCWTR-Fe动态吸附Tl(Ⅰ)的吸附量为是UCWTR-Fe动态吸附吸附量的65.08％。 综上所述，WTR及其免烧陶粒是一种价廉易得、环境友好的Tl(Ⅰ)吸附材料。因此，将WTR应用于含Tl(Ⅰ)废水的处理，既有利于实现WTR的资源化利用，又有利于实现“以废治废的双赢环保理念。