王冰， 張寶焓

鋼渣復(fù)合陶粒的制備及去除水中鉛的研究

王冰， 張寶焓

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

以鋼渣、碳和粘土為主要原料，來(lái)制備出一種可用于水處理中的陶粒，確定了陶粒的燒制條件，并且探究了該陶粒對(duì)水中的鉛離子的吸附情況。結(jié)果表明：利用鋼渣比表面積大、表面粗糙且內(nèi)含有大量堿性氧化物的優(yōu)勢(shì)，可以制備出用于吸附廢水中鉛離子的陶粒，且陶粒有很好的吸附效果，并確定陶粒在配比為4∶4∶2，燒制溫度為800 ℃，溶液的pH在6~10之間時(shí)，吸附效果非常好，吸附率隨著投加量的增加而增加。

鋼渣；陶粒；吸附；鉛離子

鋼渣是在鋼鐵行業(yè)的廢棄物，鋼渣的生產(chǎn)率約為粗鋼產(chǎn)量的15%~20%[1]。目前，我國(guó)對(duì)鋼渣的利用率僅為10%，主要用于建材等低附加值領(lǐng)域?；阡撛厥獾牡V物組成和物理化學(xué)性質(zhì)，近些年來(lái)開(kāi)發(fā)高附加值的產(chǎn)品正逐步成為鋼渣利用的重要方向，而將鋼渣的合理利用也成為了時(shí)下新的研究熱點(diǎn)。

目前用鋼渣處理廢水主要是利用鋼渣的吸附性和絮凝性[2]，包括去除水中鉛、汞、鉻、鎳、銅、鋅、磷、砷、氟等[3]，應(yīng)用方式包括作為濾池濾料[4]、濕地填料[5]和制備吸附劑等。由于鋼渣其表面有較強(qiáng)的堿性，微生物不適合在其表面附著生長(zhǎng)，用作填料時(shí)鋼渣只起到吸附劑的作用，需配合其他雜質(zhì)。本文以普通鋼渣配以碳和黏土，經(jīng)高溫焙燒制成鋼渣陶粒，系統(tǒng)地研究分析了吸附時(shí)間、pH、陶粒的投加量、溶液初始濃度4種因素在吸附過(guò)程中對(duì)陶粒的吸附性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的主要藥品：硝酸鉛、碳，分析純，天津市鼎盛鑫化工有限公司；氫氧化鈉，天津市鼎盛鑫化工有限公司；鹽酸、粘土、鋼渣。

選用鋼渣、碳、和黏土作為原材料，經(jīng)充分的攪拌確保三者混合均勻后，加入少量的水用手工搓制出粒徑為5~10 mm的小球狀陶粒， 在室溫下自然干燥24~48 h，再焙燒制成陶粒。對(duì)原料配比、焙燒溫度進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2 陶粒對(duì)去除水中鉛的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 陶粒的投加量對(duì)去除水中鉛的影響

在6個(gè)燒杯中分別加入200 mL的含鉛離子濃度為50 mg/L的試液，再分別加入0.5、1、1.5、2、2.5、3 g陶粒，攪拌時(shí)間為180 min，攪拌速度為130 r/m，讓陶?？梢猿浞值奈饺芤褐械你U離子。

圖1 鋼渣陶粒投加量對(duì)Pb2+的去除率和吸附量的影響

如圖1所示，在加入200 mL初始濃度為50 mg/L的含鉛試液后，隨著鋼渣陶粒的投加量的增加，鉛離子的吸附率逐漸升高，在投加量為3 g時(shí)就可以達(dá)到95%以上，并且這一數(shù)據(jù)與大多數(shù)吸附研究相符合。因?yàn)殡S著陶粒的投加量的增加，可用來(lái)吸附的表面積增大，所以去除率會(huì)升高。在投加量較少的時(shí)候，單位質(zhì)量陶粒吸附量大，這時(shí)的陶粒的吸附情況受到碰撞影響較小，此時(shí)陶粒的吸附接近飽和狀態(tài)，但是隨著投加量的增加，吸附量會(huì)減少，因?yàn)橥都恿吭黾?，陶粒的?shù)量增加，溶液中陶粒與陶粒之間的空間變小，并在伴隨著攪拌的情況下，陶粒與陶粒之間相互的碰撞的幾率增加，有效的吸附表面積下降，從而致使單位質(zhì)量陶粒的吸附量減少。任新[6]研究污泥陶粒對(duì)水中六價(jià)鉻的去除性能時(shí)，得出的結(jié)論是，隨著投加量的增加，去除率逐漸增加，但是單位質(zhì)量吸附劑的吸附量在減少。候婷[7]等的研究結(jié)果也得出同樣的結(jié)論。

2.2 陶粒的吸附時(shí)間對(duì)去除水中鉛的影響

在燒杯中加入200 mL的含鉛離子濃度為50 mg/L的試液，之后加入3 g陶粒，攪拌速度130 r/m左右，進(jìn)行吸附試驗(yàn)，以時(shí)間橫坐標(biāo)，吸附率為縱坐標(biāo)進(jìn)行曲線的繪制，然后通過(guò)分析得到最高效的吸附時(shí)間。

圖2 時(shí)間對(duì)溶液中Pb2+的去除率的影響

由圖2可得，吸附初期陶粒對(duì)鉛離子的吸附速率較快，當(dāng)吸附時(shí)間大于60 min時(shí)，鉛的去除率可達(dá)到95%左右，并且在此階段吸附速率較快，因?yàn)榇藭r(shí)溶液中的鉛離子較多，陶粒充足，有足夠多的表面供鉛離子吸附，陶粒與鉛的接觸機(jī)會(huì)較大，溶液中的鉛離子可以快速的擴(kuò)散到固液相界面，并且很容易附著在陶粒的表面，之后隨著時(shí)間的增加，去除率增加較為緩慢，此時(shí)溶液中剩余的鉛離子含量較少，同時(shí)陶粒的有效吸附表面被大量占用，鉛離子開(kāi)始逐漸從固液相的表面擴(kuò)散到陶粒的內(nèi)部，導(dǎo)致后期吸附率增長(zhǎng)較為緩慢。

2.3 溶液pH對(duì)去除水中鉛的影響

溶液的pH是影響鋼渣陶粒的吸附情況的關(guān)鍵因素，因?yàn)樵诓煌膒H下，溶液中Pb2+的存在形式的分布也會(huì)有所不同，本實(shí)驗(yàn)研究了在不同的pH下溶液中的Pb2+去除情況。通過(guò)鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液的pH，本實(shí)驗(yàn)溶液pH范圍為4~10，Pb2+的初始濃度為50 mg/L，燒杯中加入200 mL溶液，加入3 g陶粒，吸附時(shí)間為180 min，攪拌速度130 r/m左右。吸附結(jié)果如圖3所示。

圖3 pH值對(duì)吸附性能的影響

由圖3可知，在鋼渣陶粒吸附性能方面，pH也有一定的影響。在pH值為4~10這個(gè)區(qū)間內(nèi)，隨著隨著pH的升高，Pb2+的去除率先升高再保持平穩(wěn)，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)提高pH可以提高陶粒吸附的效果，并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)高pH值時(shí)溶液中出現(xiàn)絮狀沉淀，這是因?yàn)樵谌芤褐写嬖谥U離子的沉淀平衡Pb2++2(OH)=Pb(OH)2↓，以及溶液中水的電離平衡，當(dāng)溶液呈堿性時(shí)溶液中的(OH)-濃度升高，促進(jìn)了氫氧化鉛沉淀的生成，提高了去除率，并且(OH)-被消耗，就會(huì)促進(jìn)水的電離，促使溶液的pH像減小的方向變化。由圖3可知，在溶液的pH增加到6之后，鉛離子的去除率可提高到90%左右，達(dá)到一個(gè)較為理想的水平。在王士龍[8]的研究中也驗(yàn)證了隨著pH的升高，鉛離子的去除率也在提高。如果我們能夠合理地調(diào)節(jié)溶液的pH值將會(huì)很大程度上提高廢水中鉛的去除效果。

2.4 溶液的初始濃度對(duì)去除水中鉛的影響

初始濃度也是影響陶粒的吸附量的重要因素，本實(shí)驗(yàn)考察初始濃度對(duì)陶粒的吸附情況的影響。

此實(shí)驗(yàn)中Pb2+溶液的初始濃度范圍為10~100 mg/L，在6個(gè)燒杯中分別200 mL溶液，加入3 g陶粒，放到攪拌機(jī)上進(jìn)行攪拌，攪拌速度130 r/m左右，吸附時(shí)間180 min。結(jié)果如圖4所示。

由圖4可得，單位質(zhì)量的陶粒的吸附量隨著溶液的初始濃度的增加而增加，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：在溶液中加入等量且足量的鋼渣陶粒，溶液中的陶粒均處于吸附未飽和狀態(tài)，隨著初始濃度增加，溶液中的游離態(tài)的鉛離子增加，提高陶粒表面與Pb2+接觸的機(jī)會(huì)，能夠更加有效地利用陶粒，從而導(dǎo)致單位質(zhì)量的鋼渣陶粒的吸附量增加；同時(shí)，鉛離子的去除率在逐漸下降，但是下降速度緩慢，這是由于，增加溶液中鉛離子的初始濃度，將會(huì)有更多的鉛離子被吸附在陶粒表面，隨著陶粒表面的鉛的數(shù)量的增加，陶粒的吸附性能逐漸降低，最后會(huì)趨于一個(gè)飽和狀態(tài)，所以鉛離子的去除率會(huì)逐漸的下降，但是如果繼續(xù)投加陶粒，鉛離子的去除率還會(huì)上升回來(lái)。

圖4 初始濃度對(duì)鋼渣陶粒吸附Pb2+的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

將鋼渣資源化利用，以鋼渣、碳和黏土為原料來(lái)制備出一種可用于水處理中的陶粒，確定了陶粒的燒制條件，并且探究了該陶粒對(duì)水中的鉛離子的吸附情況。用鋼渣作為主要原料，配以一定量的活性炭進(jìn)行反應(yīng)造孔，使陶粒多孔，提高吸附效果，并用黏土做黏合劑，燒制陶粒，既完成了鋼渣的綜合利用，又達(dá)到了凈水的目的。陶粒在配比為 4∶4∶2，燒制溫度為800 ℃，溶液的pH在6~10之間的情況下吸附效果非常好，吸附率隨著投加量的增加而增加，但長(zhǎng)期運(yùn)行應(yīng)考慮吸附飽和問(wèn)題。

［1］程緒想，楊全兵.鋼渣的綜合利用[J].粉煤灰綜合利用，2010（5）：45-49.

［2］ 劉曉， 李學(xué)蓮， 曹?chē)?guó)憑. 鋼渣陶粒對(duì)廢水中磷的吸附特性［J］. 工業(yè)水處理， 2014，34（1）：18-21.

［3］Barca C, Gérente C , Meyer D, et al. Phosphate removal from synthetic and real wastewater using steel slags produced in Europe［J.,2012,46 （7）：2376-2384.

［4］Pratt C ,Shilton A , Pratt S , et al. Phosphorus removal mechanisms in active slag filters treating waste stabilisation pond effluent［J］.2007,41 （9）：3296-3301.

［5］Korkusuz E A,Beklioglu M,Demirer G N. Use of blast furnace granulated slag as a substrate in vertical flow reed beds ： field application［J］.,2007,98（11）：2089-2101.

［6］任新.凈水廠工藝廢水中污泥制備吸附劑及對(duì)水中Cr6+的吸附特性[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

［7］候婷，王祝來(lái).污泥陶粒對(duì)Ni2+吸附特性的研究[J].廣州化工，2013，41（2）：96-98.

［8］王士龍.用陶粒處理含鉛廢水[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，17（3）：1-3.

Study on Preparation of Steel Slag Composite Ceramsite and Its Adsorption Performance for Lead Ions in Wastewater

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（Shenyang Jianzhu University, Liaoning Shenyang 110168, China）

A kind of composite ceramsite was prepared from steel slag, carbon and clay, and suitable roasting temperature was determined. The adsorption of lead ions in wasterwater by the ceramsite was also explored. The results showed that, taking advantage of large specific surface area, rough surface and a large quantity of alkaline oxides insteel slag,the ceramsite suitable for adsorption of lead ions in wastewater was successfully prepared. And its adsorption effect was much better when the ratio of steel slag, carbon and clay was 4∶4∶2, the roasting temperature was 800 ℃, and the pH value of solution was between 6 and 10. Moreover, the adsorption rate increased with the increase of ceramsite dosage.

slag; ceramicite; adsorption; lead ion

2019-11-27

王冰（1983-），女，副教授，博士，遼寧省鞍山市人，研究方向：污水生物處理理論與技術(shù)及水質(zhì)深度凈化與膜分離技術(shù)。

張寶焓（1995-），男，在讀碩士，研究方向：污水生物處理理論與技術(shù)。

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1004-0935（2020）03-0242-03