水泥-石灰對Cu2+、Pb2+廢水處理研究
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陳怡， 肖迎旭， 樊志金， 李瀾， 徐馳， 谷晉川
(1．西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院；2．西華大學(xué)食口與生物工程學(xué)院，四川成都610039)
摘要：采用普通硅酸鹽水泥和實(shí)驗(yàn)室用石灰混合對重金屬廢水進(jìn)行處理研究。配置單一重金屬污染物的廢液，初始pH=l，投加不同配比和不同量的水泥一石灰對廢液進(jìn)行處理，分別在5、10、15、20 min測水泥一石灰對Cu2+、Pbz+的去除率，記錄溶液pH值變化并加以分析。結(jié)果表明，在250 mL廢液中投加1,5 g水泥和0.6 g石灰，攪拌10 min，pH在5—7之間，Cu2+的去除率達(dá)到97%，Pb2+的去除率達(dá)到95%。同時在0—10 min，隨著攪拌時間的增加重金屬去除率急劇提高，但是在攪拌10 min之后，去除率增長趨勢趨于平緩。整個過程pH值隨著攪拌時間的增加而變大。
關(guān)鍵詞：水泥一石灰；去除率；pH；重金屬
重金屬污染一直是一個嚴(yán)重的環(huán)境問題，在過去50年里，大約有9.39xl05 t的Cu2+、7.38x105 t的Pb2+排入全球環(huán)境中，引起重金屬污染。重金屬污染主要來源于重金屬廢水的污染，重金屬廢水不僅對水體造成嚴(yán)重污染，更對土壤帶來嚴(yán)重的破壞。
目前對重金屬廢水的處理方式主要有化學(xué)沉淀法、物理法、生物法等技術(shù)。周芬等采用CaCl2+PAC+PAM的化學(xué)一混凝的方法處理含氟的重金屬廢水，在適當(dāng)?shù)臈l件下處理得到滿足一級出水標(biāo)準(zhǔn)。王-等用Na2C03和MAP對稀土濕法冶金廢水進(jìn)行鈣和氨氮的去除研究，通過SEM和XRD對結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)n(Ca2+):n(C032-)=1:1.05，攪拌速率為1500 r/min，反應(yīng)時間為30 min時，Ca2+的去除率接近100%，在適當(dāng)?shù)臈l件下氨氮去除率也達(dá)到94.5%。
化學(xué)法處理重金屬廢水有著操作簡單，成本低的好處。水泥生產(chǎn)技術(shù)成熟，水泥工業(yè)在我國發(fā)展良好，到2015年我國水泥產(chǎn)量預(yù)計(jì)達(dá)到157 811萬t。因?yàn)樗嗵幚碇亟饘龠^程中，缺少Ca2。噲影響沉淀效果等情況。所以本研究使用水泥加石灰處理重金屬廢水。
1 實(shí)驗(yàn)材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
水泥：都江堰拉法基水泥有限公司提供的拉法基普通硅酸鹽42.5R水泥，通過XRD測試其主要物質(zhì)如表1。
石灰：分析純石灰。
水：蒸餾水。
標(biāo)準(zhǔn)溶液：分別配置Cu2+、Pb2冰樣濃度為5、10、20、40 mg/L，pH=l的重金屬強(qiáng)酸廢水。見表2。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
通過控制水泥一石灰投加量、攪拌時間、標(biāo)準(zhǔn)廢水的濃度的變化，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以分析。實(shí)驗(yàn)方法如表3。
六聯(lián)攪拌機(jī)r-250 r/min。攪拌時間分別為5、10、15、20 min測定水泥一石灰對重金屬離子的去除率Y(%)以及pH值變化。
式(1)中Co、C為處理前后重金屬的離子濃度。
2 水泥和石灰配比對去除重金屬離子的影響研究
2.1 水泥一石灰投加量對去除率和pH的影響
如圖1，第2、4組的去除效果明顯高于第1、3組，第2組的質(zhì)量等于第3組，但是效果明顯高于后者；同時第2組的去除效果與第4組接近，但是第2組投加的質(zhì)量較小。所以第2組是本次實(shí)驗(yàn)較優(yōu)的實(shí)驗(yàn)組。如圖2，各組份在攪拌10 min之后去除率接近而且變化不大，這進(jìn)一步說明水泥一石灰對Pb2+極好的去除效果。綜合Cu2+、Pb2+的去除效果與投加量，第2組去除效果好、投加量少，是一種較優(yōu)的配比：m(水泥):m(石灰)=2.5。
2.2 攪拌時間對pH和去除率的影響
用最優(yōu)配比m(水泥):m(石灰)=2.5探究攪拌時間對pH和去除率的影響。圖3、4顯示隨著攪拌時間的增加pH值不斷升高，去除率逐漸上升。圖3中，攪拌時間在10 min之前，隨著攪拌時間的增加水泥一石灰對Cu2+的去除率急劇升高；攪拌10 min以后，pH值雖然也不斷升高，但是去除率增加緩慢。這說明水泥一石灰對重金屬的去除效果對pH值要求不高。在pH為5.5—7時，重金屬去除率達(dá)到95%左右，所以攪拌最佳時間為10 min。圖4中，攪拌5 min，Pb2+的去除率達(dá)到較高水平，同時濃度越高，去除率越高。Pb2+的去除率與pH值關(guān)系不大，攪拌時間對較高Pb2+離子濃度的去除率影響不大。這是因?yàn)镻b2+的活性很強(qiáng)，在較短的時間內(nèi)大部分能完成吸附、結(jié)晶和沉淀。由此說明在弱酸條件下水泥一石灰對Cu2+、Pb2嘟能起到較好的去除效果。
3 分析與討論
3.1 水泥水合反應(yīng)分析
在實(shí)驗(yàn)中，石灰的主要作用是提供Ca離子和提供堿度。普通硅酸鹽水泥的主要成分有C3S、C2S、C4AF、C3A等礦物，與水發(fā)生反應(yīng)的速率C3A>C3S>C4AF>C2S。水合的主要產(chǎn)物為C-S-H凝膠、礬鈣石、Ca(OH)2；如果Ca不足，將會影響水合的效果和晶體的數(shù)量和質(zhì)量。水泥主要的固化水合反應(yīng)方程式為：
(1)硅酸三鈣的水合反應(yīng)：
(2)硅酸二鈣的水合反應(yīng)：
在此過程中存在著以下的化學(xué)平衡：
隨著攪拌時間的增加，硅酸鹽中反應(yīng)速度慢的礦物不斷水合，對重金屬離子的去除率急劇升高，其形成的C-S-H凝膠（CaO-Si02-H2O）比表能高、離子交換能力強(qiáng)，可通過吸附、共生和層間置換等方式固化外來離子。同時礬鈣石通過化學(xué)置換的方式在柱狀間和通道內(nèi)容納外來離子，C-S-H凝膠在飽和狀態(tài)下其比表面積可達(dá)700 m2/g以上，吸附能力極強(qiáng)。
3.2 水泥去除重金屬的示意圖
如圖5，水泥主要有3類方式固化溶液中的重金屬離子：(1)水化物表面吸附；(2)水化物晶格固化；(3)生成沉淀物。同時水泥本身也還有一定量的離子并且有一定的溶出性離子。重金屬離子半徑及離解常數(shù)遵循規(guī)律：Pb2+>Ni2+>C u2+>Cd2+>2n2+>Cr3+>C02+。因此Pb2+能較快較徹底的去除。其中水泥與重金屬離子的化學(xué)反應(yīng)：
綜述所述，水泥一石灰法能極好地去除重金屬廢水。
4 結(jié)論
(1)隨著攪拌時間的增加，水泥一石灰法對重金屬的去除率逐漸增加。其最佳的攪拌時間為10 min，在10 min之后雖然pH值升高，但對去除率沒有較大影響。
(2)水泥一石灰法去除Cu2+、Pb2+在弱酸的條件下就能得到較高的去除率。
(3)當(dāng)m(水泥):m(石灰)=2.5，水泥一石灰法能保證在較高去除率的同時減少污泥量。
(4)當(dāng)投加1.5 g水泥，0,6 g石灰，在250 mL燒杯中攪拌10 min，Cu2+去除率達(dá)到97%左右，Pb2+的去除率達(dá)到95%左右。水泥一石灰法對重金屬的去除效果極佳。
