载体诱导NiS沉淀结晶去除废水中Ni2+的研究

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镍属第一类污染物,因其良好性质广泛应用于各行业。目前用于去除含Ni2+废水的方法中,化学沉淀法应用最为广泛,但其具有工艺繁琐、去除速度慢等缺陷;载体诱导沉淀结晶法是传统化学沉淀法的改进技术,具有沉淀剂用量小、去除率高、流程简单等优点,可用于各种可沉离子的去除。本文开展载体诱导Ni S沉淀结晶去除废水中Ni2+的研究,可为未来工程实践提供理论依据。本文以Ni2+配水为处理对象、Na2S为沉淀剂、10种天然矿物为诱导载体、丁二酮肟分光光度法为测量手段,开展以下研究:(1)考察有、无载体时,不同预处理条件对Ni2+测定的影响,获得测定最佳预处理条件;在无载体最佳沉淀条件下,对比各载体诱导效果,包括去除效率、平衡时间,选出最优载体;测定各载体主要矿物组成,分析其与去除率的定性关系,为载体选择及制备提供初步方向。(2)开展简便的载体选择方法研究,包括诱导沉淀结晶过程Zeta电位及沉淀平衡体系、含Ni2+配水体系、去离子水体系中载体等电点与Ni2+去除效果的相关性,验证课题组前期所得方法,特别是利用等电点选择载体的普适性。(3)开展不同地域最优载体最佳诱导条件试验,获得诱导效果最佳的载体;利用课题组前期获得的载体成份分析结果,开展去除效率与成份的相关性分析,量化诱导效果与载体组成的相关性,为未来载体制备提供组成依据;对比无载体、最佳载体反应动力学模型和活化能,从动力学角度分析有、无载体时反应过程变化,为后续初步探讨诱导机理提供依据。(4)开展最佳载体表面溶出及吸附试验,分析Ni S沉淀结晶过程中,Ni2+浓度降低是沉淀反应还是载体吸附所致;开展效果最佳载体诱晶前后SEM、XPS、XRD表征,分析沉淀反应是否发生在载体表面;结合Zeta电位数据、双电层理论、动力学结论,初步分析最佳载体诱导Ni S沉淀结晶除Ni2+反应历程。结果显示:(1)在有载体和无载体条件下,使用0.22μm水系滤膜过滤为Ni2+测定的最佳预处理条件。在无载体时Ni S最佳沉淀条件下,对比不同载体诱导去除率从大到小排序为:河北白云石>萤石>方解石>精制石英砂>石榴石>长石>天然石英砂>分析石英砂;反应达平衡时间从小到大顺序为:河北白云石=萤石=15 min<精制石英砂=方解石=30 min<天然石英砂=分析纯石英砂=石榴石=长石=磁铁矿=钛铁矿=40 min;综合考虑,白云石为最优载体。天然矿物中存在Ca O、Mg O及Si O2等组分的载体诱导沉淀结晶效果较好,与课题组前期及同期开展的载体诱导沉淀除Pb2+、PO43-研究结果一致,初步说明在载体选择中应关注其矿物组成。(2)载体Zeta电位绝对值越小,去除率越高,其规律与课题组前期研究相似,沉淀过程中Zeta电位作为最佳载体的选择方法具有普适性,可用Zeta电位调控沉淀结晶过程的p H值、沉淀剂投加比和载体加入量等过程参数,减小过程管控工作量,适应水质变化,使去除率保持在较高水平。在沉淀平衡体系、含Ni2+配水体系、去离子水体系中,10种载体诱导Ni S结晶除Ni2+效果与等电点有相关性,载体等电点越大,除Ni2+效果越好,可用等电点选择载体。结果与课题组前期及同期所得结论一致,利用等电点选择载体的方法对阳离子、阴离子有普适性,方法均较为简单易行,其中去离子水体系载体等电点测定最为简单,可作为载体选择的最佳方法。(3)不同地域白云石在最佳条件下,诱导Ni S沉淀结晶效果不同,河北白云石诱导除Ni2+效果最佳。与Ni2+平衡去除率呈正相关的白云石成分灵敏度由大到小为:Ca O、Mg O、Si O2、Al2O3,其中Ca O、Mg O、Si O2为强线性正相关;与Ni2+平衡去除率呈负相关的白云石成分灵敏度由大到小为:Na2O、Fe2O3、K2O,Pb2+、PO43-平衡去除率与载体成分显示相同相关性,但各成分灵敏度略有差异,结果可用于指导载体选择及制备。无载体及白云石诱导Ni S沉淀反应均适合用准二级动力学模型描述;与无载体时相比,加入载体后反应活化能显著降低;不同地域白云石活化能差别较大,应与其组成有关。(4)含Ni2+配水体系、沉淀体系、去离子水体系中白云石表面Ca2+、Mg2+的溶出过程均符合准二级动力学模型,溶出量依次减小;白云石对Ni2+吸附量不大,白云石诱导Ni S沉淀结晶中Ni2+浓度降低主要为沉淀反应所致,Ni S沉淀结晶反应发生在载体表面;白云石诱导Ni S沉淀结晶过程中,表面荷电形式为Ca O-、Mg O-,沉淀剂S2-与双电层反离子吸附层中的Ni2+反应,与无载体时相比,反应历程发生变化,去除率及反应速率提高。
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