【摘要】：地下水廠鐵泥來源于水廠日常排放的含有高濃度鐵和含鐵顆粒的反沖洗廢水。反沖洗廢水沉淀后,產(chǎn)生的鐵泥顆粒細小,容易透過壓濾機的濾帶或濾布,所以在脫水前需要添加絮凝劑來提高脫水效果。脫水的含鐵污泥直接外運填埋,未能合理利用。本文以地下水廠含鐵污泥為研究對象,分析了含鐵污泥的物相組成,并分別研究了原位浸提-還原-共沉淀法、原位還原水熱法和無還原劑堿性輔助水熱法制備磁性吸附劑的方法,獲得了3種磁性吸附劑和1種磁性球形方鈉石顆粒,主要結(jié)論如下:(1)以鐵泥為原料,采用原位浸提-還原-共沉淀法制備了含磁鐵礦型吸附劑。結(jié)果顯示,鐵泥經(jīng)酸浸提后,溶液中的鐵主要以Fe~(3+)離子形式存在。以抗壞血酸為還原劑,在缺氧條件下,通過類芬頓反應(yīng)將溶液中Fe~(3+)還原為Fe~(2+),反應(yīng)過程如下:Fe~(3+)與抗壞血酸發(fā)生類芬頓反應(yīng),被還原為Fe~(2+),而抗壞血酸被氧化為脫氫抗壞血酸;溶液中存在殘留的溶解氧,將Fe~(2+)氧化成Fe~(3+);在缺氧條件下,空氣中沒有足夠的氧氣向溶液中補充,當溶液中氧被消耗盡,溶液中只存在Fe~(3+)的還原�？箟难崃颗c溶液中Fe~(3+)存在劑量-效應(yīng)關(guān)系,抗壞血酸與鐵泥中鐵的摩爾比最佳值為0.02,此時溶液中的溶解氧耗盡后,剩余的Fe(II)參與共沉淀,生成含反尖晶石結(jié)構(gòu)的磁性Fe_3O_4顆粒,其中鐵含量提高到38.5 wt.%。在此基礎(chǔ)上,使用酸性有機廢水取代前述實驗中的酸,應(yīng)用于浸提鐵泥,進一步利用原位還原-共沉淀法制備的磁性吸附劑具有良好的磁響應(yīng),對水中亞甲基藍的最大飽和吸附容量達到56.7 mg/g,是顆�；钚蕴康�2.5倍,盡管其比表面積為顆粒活性炭的1/3。(2)進一步簡化實驗步驟,以鐵泥為原料,抗壞血酸為還原劑,采用一步水熱法制備了納米片裝磁性吸附劑。鐵泥經(jīng)水熱法處理后,生成厚度為10-20nm的圓片狀顆粒并團聚,含鐵量由16.6 wt.%增大到41.8%,硅和鋁的含量分別降低到6.6 wt.%和1.1 wt.%。在水熱反應(yīng)中,鐵泥中的鐵氧化物發(fā)生相轉(zhuǎn)化,生成含有γ-Fe_2O_3的磁性吸附劑,其轉(zhuǎn)化過程如下:抗壞血酸與鐵泥表面的Fe~(3+)發(fā)生非均相芬頓反應(yīng),生成Fe~(2+),并與溶液中過量的CO_3~(2-)結(jié)合,生成菱鐵礦;菱鐵礦進一步被溶液中的氧或抗壞血酸與氧反應(yīng)生成的H_2O_2,氧化生成磁赤鐵礦�？箟难崤c鐵泥中鐵的摩爾比為1時,制備的材料具有最強的磁響應(yīng),飽和磁化強度達到16.29 emu/g。當添加量不足時,反應(yīng)生成的FeCO_3被溶液中的溶解氧或過氧化氫完全氧化為磁赤鐵礦,在高氧化條件下發(fā)生溶解再結(jié)晶生成赤鐵礦。過量添加抗壞血酸,促使赤鐵礦、磁赤鐵礦和水鐵礦被還原,生成菱鐵礦,使材料的飽和磁化強度降低。電位滴定實驗和格氏圖解法結(jié)果顯示,抗壞血酸添加摩爾比為0.1時,制備的磁性吸附劑具有最高的表面位總濃度,飽和磁化強度為3.23emu/g,可以通過外加磁場從水中分離。利用摩爾比為0.1時制備的磁性吸附劑處理冶煉廢水時,添加量為12.5g/L即可有效去除冶煉廢水中的銅、鋅、鉛和鎘,出水達到行業(yè)排放標準。(3)對比研究了在無還原劑條件下,堿性輔助水熱法處理磐石地下水廠鐵泥和庫倫旗水廠鐵泥的產(chǎn)物。結(jié)果顯示磐石地下水廠鐵泥經(jīng)過堿性水熱處理后,生成了含有正六面體方沸石晶相的顆粒。堿性條件下鐵泥中Si/Al礦物的原位溶解再結(jié)晶,是方沸石晶體生成的主要原因。但這種顆粒的磁性較弱,無法在外加磁場下從水中分離。與其相比,庫倫旗水廠鐵泥制備的樣品呈無定型態(tài),與原始鐵泥的形貌特征一致,但樣品具有產(chǎn)生良好的磁響應(yīng),飽和磁化強度達到1.12emu/g。進一步提高NaOH濃度,在水熱條件下以庫倫旗水廠鐵泥為原料制備了系列磁性材料。結(jié)果顯示,隨著NaOH濃度增大,制備產(chǎn)物的磁性逐漸增強,但樣品的形貌與鐵泥一致,仍呈無定型態(tài)。在NaOH為1mol/L條件下,制備的產(chǎn)物具有最大的表面位總濃度,其對水中亞甲基藍和Cu~(2+)的最大飽和吸附量分別為27.5 mg/g和46.2 mg/g。在上述基礎(chǔ)上,通過外加無水AlCl_3調(diào)節(jié)鐵泥中Si/Al摩爾比,制備出球形的方鈉石顆粒。最佳Si/Al摩爾比為0.3,制備的球形方鈉石顆粒尺寸為5-15μm,且具有良好的磁響應(yīng)。(4)在課題組前期研究的基礎(chǔ)上,以鐵泥為原料,采用NaOH修飾溶劑熱法制備了一種磁性吸附劑。通過加入NaOH提高溶劑熱法的初始pH,制備的磁性吸附劑的飽和磁化強度達到21.22 emu/g,是未調(diào)節(jié)pH樣品的1.5倍。加入NaOH促使鐵泥中石英、高嶺石和鈉長石等雜質(zhì)的溶解再結(jié)晶,生成尺寸為2-5μm的磁性顆粒,增大了對亞甲基藍的最大飽和吸附量。通過上述實驗,本研究獲得了3種以地下水廠鐵泥為原料制備磁性吸附劑的方法,制備的磁性吸附劑在染料廢水和冶煉廢水處理中具有潛在的應(yīng)用前景。
【圖文】：

3圖 1.1 地下水廠中 Fe2+的去除過程Figure 1.1 Removal process of Fe2+from groundwater在地下水除鐵過程中，水廠常采用的曝氣方式有跌水曝氣、噴淋曝氣、氣和射流曝氣等方式。曝氣方式的選擇，取決于地下水的原水水質(zhì)和處理工地下水中含錳時，其具有高的氧化電勢，需要采用強曝氣方式進行除錳。低含錳量地下水時，弱曝氣即可達到二價鐵氧化的條件。跌水曝氣，由于、構(gòu)造簡單且不會發(fā)生鐵氧化物堵塞，廣泛應(yīng)用于地下水廠除鐵工藝，如哈爾水廠、磐石水廠和庫倫旗水廠在運行中均采用二級跌水曝氣。由于生成的鐵氧化物顆粒細小，水廠通常采用快速過濾方式處理曝氣后地下水。常用濾料有石英砂單層濾料、石英砂-無煙煤雙層濾料和錳砂濾些研究發(fā)現(xiàn)，水廠采用石英砂濾料處理含鐵地下水，經(jīng)過長時間運行后，色逐漸由白或黃色變?yōu)楹谏�，這是表面生成一層鐵氧化物濾膜。鐵氧化物成后，表面的活性點位也可以進一步吸附水中未氧化的亞鐵。吸附的亞鐵濾膜生成 Fe-O-Fe 結(jié)構(gòu)，通過表面催化作用，促進吸附亞鐵氧化為三價鐵

地下水中亞鐵氧化后形成的含鐵膠體或顆粒對水中帶負電的顆�；蛴懈�。因此，在反沖洗廢水中，鐵氧化物的顆粒中，鐵是主要成分，同時的濾料、地下水中的細小顆粒、有機物和多種陽離子等。.1 自然沉淀將反沖洗廢水直接回灌于井孔中，是當前小型水站或水廠常采用的方法況下，，濾池反沖洗時間間隔約為 48-72h，所以反沖洗廢水排放到井孔后時間沉淀。如前所述，反沖洗廢水生成的顆粒難以沉淀，其原因是顆粒細小，且顆負電，在水溶液中保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。我們對水廠反沖洗廢水產(chǎn)生的沉淀進電鏡分析，如圖 1.3（A&C）所示。來自磐石市水廠和吉林市水站的鐵寸分布范圍在 100nm-2μm 之間，沒有出現(xiàn)均一的尺寸和規(guī)則的形貌結(jié).3（B）顯示，來源于磐石市水廠的鐵泥中存在大量的 Mn，且含有 P元素，而來源于吉林市水站的鐵泥能譜中僅含有主要元素 Fe、Si 和 A面可能與水廠水源的地下水水質(zhì)有關(guān)，另一方面可能是來源于吉林市水雜質(zhì)的含量較低，而不能被 EDS 能譜檢出。
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X703

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王娟珍;薛長安;王志勇;王旭冕;;高錳酸鉀應(yīng)用于地下水除鐵錳試驗研究與探討[J];城鎮(zhèn)供水;2013年03期

2 李冬;曾輝平;張杰;;高鐵錳氨氮伴生地下水生物深度凈化的工程實踐[J];給水排水;2011年09期

3 李鐵;高峰;楊桂朋;;東海泥質(zhì)區(qū)表層沉積物中銅和鉛的賦存形態(tài)研究[J];中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2010年04期

4 馬滿英;施周;余健;劉有勢;;自然有機物對地下水混凝除鐵的影響試驗研究[J];工業(yè)水處理;2006年12期

5 陳兆偉;張毅明;吳冰;;溶解性硅酸鹽含量高的地下水除鐵方法[J];黑龍江環(huán)境通報;2006年03期

6 余健,王浪,任文輝,余果,唐沛;地下水除鐵除錳水廠反沖洗廢水混凝試驗研究[J];工業(yè)水處理;2005年05期

7 張杰,李冬,陳立學(xué),楊宏;地下水除鐵除錳機理與技術(shù)的變革[J];自然科學(xué)進展;2005年04期

8 曾昭華;地下水中鐵元素的形成及其控制因素[J];江蘇地質(zhì);2003年04期

9 楊宏,李冬,張杰,陳立學(xué),趙英麗;生物固錳除錳機理與生物除鐵除錳技術(shù)[J];中國給水排水;2003年06期

10 張江娟;從赤泥中回收二氧化鈦的初步研究[J];中國資源綜合利用;2003年01期

本文編號：2668327