赤泥颗粒吸附剂对磷酸根离子的吸附性调控研究

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赤泥是制铝工业提炼氧化铝时排放出的一种固体废弃物,因其特有的理化性质常用做吸附剂来处理废水,合理利用赤泥对我国生态环境质量改善有着重大的意义。本文以拜耳法赤泥为原材料,对赤泥进行力学改性、比表面积改性、表面润湿改性以及多孔填料调控。通过添加高铝水泥和普硅水泥对赤泥进行力学改性,提高吸附剂抗压强度;添加双氧水和碳酸铵对赤泥进行比表面积改性,增加吸附剂的比表面积;添加阴离子型润湿剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)以及非离子型润湿剂烷基酚聚氧乙烯醚(PE-100)对吸附剂表面进行润湿改性,改良吸附剂的润湿性。此外还添加沸石和硅灰这些多孔填料来提高吸附剂的吸附性能。然后将赤泥颗粒吸附剂制成流动性较好的浆体,于特制硅胶模具中造粒成型,制备一种对磷酸根离子吸附性能良好的非烧结赤泥颗粒吸附剂。通过量子力学和分子动力学,基于密度泛函理论和蒙特卡洛方法,利用模拟软件(Materials Studio)对赤泥(RM)各矿物组分的晶体原胞计算优化然后建立合适的赤泥晶胞模型,从微观的角度阐述赤泥颗粒吸附剂对H2PO4-、HPO42-、PO43-离子的吸附位点以及吸附能力,得到以下的结论:(1)确定添加粘结剂、其它吸附矿物、造孔剂以及润湿剂来调控赤泥对磷酸根离子的吸附性,首先以计算机模拟为试验做预先准备,对赤泥进行X射线衍射(XRD)的定性和定量分析,确定其主要含有的晶型矿物为:加藤石、方解石、赤铁矿、钙霞石、硬水铝石、锐钛矿、高岭石、绿泥石、云母石。(2)通过单因素以及四因素四水平的正交试验,最终得到赤泥颗粒吸附剂的最佳配比为:水灰比1:4;其中粘结剂选用高铝水泥占比为18%,其它吸附矿物选择沸石占比为12%;造孔剂选择碳酸铵占比0.07%;润湿剂选择十二烷基苯磺酸钠占比1.1%。(3)添加润湿剂后赤泥颗粒吸附剂表面的润湿性有了显著的增加,表现为吸附剂表面接触角的减小以及吸附剂吸附性能的提升。(4)静态吸附试验说明,赤泥颗粒吸附剂在吸附磷矿浮选回水时,当磷矿浮选回水含磷浓度为103.3 mg/L时,吸附剂用量为31.25 g/L,吸附时间为24 h,吸附剂形状为直径0.5 cm的球状,吸附温度为25℃时,赤泥颗粒吸附剂吸附量最大,为35.59 mg/g,去除率为82.50%。(5)基于密度泛函理论和蒙特卡洛方法,对赤泥的主要晶型矿物进行结构优化和动力学弛豫,得到赤泥的主要晶型矿物表面的润湿情况如下:加藤石>硬水铝石>锐钛矿>高岭石>绿泥石>云母石>赤铁矿>方解石>钙霞石(H2O团簇);加藤石>硬水铝石>高岭石>绿泥石>云母石>锐钛矿>赤铁矿>方解石>钙霞石(H2O+PO43-团簇);加藤石>硬水铝石>高岭石>绿泥石>云母石>锐钛矿>赤铁矿>方解石>钙霞石(H2O+HPO42-团簇);加藤石>硬水铝石>云母石>绿泥石>高岭石>锐钛矿>赤铁矿>方解石>钙霞石(H2O+H2PO4-团簇)。(6)基于分子动力学,对赤泥的主要晶型矿物进行吸附计算。得出,各种物质组分吸附磷酸跟离子时,各物质组分对磷酸跟离子的吸附位点均有差异。其中:各组成矿物吸附磷酸跟离子发生单层吸附的物质主要有钙霞石、硬水铝石以及锐钛矿;各组成矿物吸附磷酸跟离子发生多层吸附的物质主要有加藤石、方解石、赤铁矿、高岭石、绿泥石以及云母石。绿泥石对H2PO4-是单层吸附。在同等条件下,同种物质吸附磷酸根离子的顺序为:加藤石>赤铁矿>方解石>绿泥石>高岭石>硬水铝石>云母石>锐钛矿>钙霞石(PO43-);加藤石>方解石>云母石>锐钛矿>赤铁矿>硬水铝石>高岭石>钙霞石>绿泥石(HPO42-);加藤石>钙霞石>方解石>锐钛矿>硬水铝石>高岭石>赤铁矿>绿泥石>云母石(H2PO4-)。(7)加藤石、绿泥石表面对H2PO4-、HPO42-的吸附伴随着化学吸附,而对PO43-的吸附则只有物理吸附。方解石、赤铁矿、钙霞石、硬水铝石、锐钛矿、高岭石、云母石表面对H2PO4-、HPO42-以及PO43-均为物理吸附。在相同压力下同种矿物晶体结构吸附磷酸根离子的吸附量由大到小为:H2PO4->HPO42->PO43-;在相同条件下同种矿物晶体结构对含磷酸根离子水团簇的吸附强度由强到弱为:H2PO4-、HPO42-、PO43-;在相同条件下同种矿物晶体结构吸附磷酸根离子的吸附热由大到小为:H2PO4->HPO42->PO43-。
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