废玻璃铝渣人工沸石对水中Ca2+的吸附文档格式.docx
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高浓度难降解化工废水处理技术。
anluyang2008@
基金项目：
国家重点研发计划（2017YFB0603500）
收稿日期：
2018-06-20；
录用日期：
2018-11-02
DOI10.12030/j.cjee.201806101中图分类号X703文献标识码A
摘要利用废玻璃和铝渣制备沸石，进而表征沸石结构特征并研究其对水中Ca2+的吸附性能。
采用批式实验考察不同温度下沸石用量、初始pH、振荡频率、接触时间对吸附量的影响，并研究吸附过程热力学、动力学特征。
结果表明，吸附量随沸石用量增加而减小、随接触时间延长而增大。
初始pH和振荡频率对吸附量影响较显著。
温度变化对平衡吸附量影响不大，但升高温度可显著缩短吸附平衡时间。
最佳工艺参数为：
沸石用量20g·
L-1，初始pH5~8，振荡频率150r·
min-1，接触时间60min，此时吸附量约16mg·
g-1。
Langmuir等温线最符合沸石吸附水中Ca2+过程，表明该过程是均质单分子层吸附。
动力学特征最符合准二级动力学方程，证实该过程主要受离子交换、颗粒外液膜扩散和颗粒内扩散控制。
该沸石对水中Ca2+吸附过程是物理吸附和化学吸附并存的自发、吸热、熵增过程。
该沸石可较好地去除水中Ca2+，因此具有一定软化硬水能力。
关键词硬水软化；
人工沸石；
水中Ca2+吸附；
二级动力学
Aqueouscalciumionadsorptionperformanceofartificialzeolitemadefromwasteglassandaluminumslag
ZHANGYafeng1,ANLuyang1,*,SHANGShu1,SONGDihui1,ZHANGLitao1,XUXinwei1,MAHongchao2
1.EnvironmentalEngineeringAcademicianExpertsWorkstation,SinosteelAnshanResearchInstituteofThermo-EnergyCo.Ltd.,Anshan114044,China
2.SchoolofLightIndustry&
ChemicalEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China
*Correspondingauthor,E-mail:
anluyang2008@
AbstractThezeolitewasmadefromwasteglassandaluminumslag.Itsstructurewascharacterizedanditsadsorptionofcalciumioninwaterwasstudied.Atdifferenttemperatures,theimpactsofzeolite’sdosage,initialpH,vibratingfrequencyandcontacttimeontheadsorptioncapacitywereinvestigatedbybatchexperiments.Thethermodynamicandkineticcharacteristicsoftheiradsorptionprocesseswerestudied.Theresultsshowthattheadsorptioncapacitydecreaseswiththeincreaseofthezeolite’sdosage,andincreaseswiththeextensionofcontacttime;
boththeinitialpHandthevibratingfrequencyhavesignificanteffectsaswell.Althoughthetemperaturehaslittleeffectontheequilibriumadsorptioncapacity,highertemperaturecouldsignificantlyshortentheadsorptionequilibriumtime.Undertheoptimalprocesscondition（thezeolite’sdosageat20g·
L-1,initialpHat5~8,vibratingfrequencyat150r·
min-1,contacttimeat60min）,theadsorptioncapacityisapproximately16mg·
g-1.ThecalciumionadsorptionprocessofthezeoliteconformeswelltotheLangmuirisotherm,indicatingahomogeneousmonolayeradsorption.Thedynamicdatafitswelltothepseudo-second-orderkineticmodel,demonstratingaprocessmainlydominatedbyionexchange,extra-particleliquidmembranediffusionandintra-particlediffusion.Theadsorptionprocessisendothermic,entropy-increasingandspontaneous,withthecoexistenceofphysisorptionandchemisorption.Withthecapabilityofefficientremovalofcalciumionfromwater,thezeolitecouldbeusedtosoftenhardwater.
Keywordshardwatersoftening；
artificialzeolite；
aqueouscalciumionadsorption；
second-orderkinetics
水中Ca2+、Mg2+浓度过高不仅影响人体健康，而且易使工业和市政锅炉、热交换器、管道等结垢，由此引起局部变形或损坏甚至爆炸，从而影响正常生产过程[1-2]。
目前，水中Ca2+、Mg2+去除方法主要包括药剂法[1,3]、离子交换法[4]、膜分离法[5-6]、电化学法[2,7]、吸附法[8]。
药剂法以化学沉淀法为代表，其药剂消耗量及产泥量大，出水呈碱性、浊度大[3-4]。
离子交换法须再生离子交换剂，再生过程消耗大量再生剂且产生极难处理的浓盐水[1]，为此，美国加州已禁用Na+型离子交换剂[4]。
膜分离法去除效果虽好，但当前膜组件价格高且易堵塞，致使投资运行成本较高[1]。
电化学法阴极表面积垢难清理，阳极高电流溶解产生大量淤泥[2]。
吸附法因成本低、易操作、可大规模应用等优势[9]被广泛用于去除水中重金属Hg2+[10]、Cd2+[11]、As3+[12]、Pb2+[13]、Cu2+[14]、Zn2+[9]等，但去除Ca2+、Mg2+相关报道较少。
沸石取材广泛、价格低廉、环境友好、热/化学稳定性良好[8,15]，是一种应用广泛的吸附剂。
湛含辉等[16]研究了13X沸石对水中Ca2+吸附性能；
张硕等[8]考察了Na+活化斜发沸石吸附热水环境中Ca2+过程；
秦承欢[17]利用水热法合成Ca2+选择性沸石并研究其对海水中Ca2+吸附特征；
XUE等[18]针对常规微孔沸石难去除硬水中Mg2+，通过引入介孔结构降低Mg2+吸附活化能，进而缩短吸附平衡时间。
上述研究所涉及吸附剂为商用沸石、改性沸石和化学品合成沸石，这在一定程度上增加了应用成本，且上述研究缺乏对吸附特征的详细报道。
利用废玻璃和铝渣制备沸石[19]吸附去除水体中Ca2+，既可实现固体废物资源化，又可以废治废。
本研究以废玻璃和铝渣为主要原料制备人工沸石，并对其结构特征进行了表征，还进一步考察了工艺参数对沸石吸附水中Ca2+的影响和吸附过程的热力学与动力学特征，以期为沸石吸附去除水中Ca2+提供有价值的参考。
1材料与方法
1.1仪器与试剂
DT-500B型电子天平（TIANFU）；
PHS-3C型pH计（上海仪电科学仪器股份有限公司）；
YD200型水质硬度仪（上海三信仪表厂）；
SHA-B型恒温水浴振荡器（天津塞得利斯实验分析仪器制造厂）；
101-1A型电热鼓风干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）；
FW200型高速万能粉碎机（北京市兴伟业仪器有限公司）；
JXF1型高压釜（大连润昌石化设备有限公司）；
4000转离心机（金坛市鸿科仪器厂）；
SA3100型N2物理吸附仪（BeckmanCoulter）；
S4Pioneer型X射线荧光仪（BrukerAXS）；
D/max-2400型X射线衍射仪（Rigaku）；
SU8000型扫描电子显微镜（Hitachi）；
VERTEX-70型傅里叶变换红外光谱仪（Bruker）。
CaCl2（AR，天津市大茂化学试剂厂）；
NaOH（AR，天津市科密欧化学试剂有限公司）；
HCl（AR，南京化学试剂有限公司）；
NaCl（AR，国药集团化学试剂有限公司）；
Co（NH3）6Cl3（GR，成都化夏化学试剂有限公司）；
去离子水。
废玻璃收集自市政废玻璃，铝渣购自河北某铝业公司，二者主要成分见表1和表2。
表1废玻璃主要成分
Table1Maincompositionsofwasteglass%
SiO2
Al2O3
Na2O
Fe2O3
CaO
TiO2
K2O
MgO
58.12
23.54
9.19
2.74
1.97
1.59
1.18
0.13
表2铝渣主要成分
Table2Maincompositionsofaluminumslag%
71.55
11.56
4.16
4.14
4.01
2.53
0.67
1.2沸石制备及表征
将收集的市政废玻璃用稀HCl（50%体积比）浸泡48h去除表面杂物，去离子水冲洗并烘干，高速万能粉碎机粉碎、研磨至约10μm，即得玻璃粉。
铝渣用去离子水冲洗并烘干，高速万能破碎机粉碎、研磨至约10μm。
废玻璃/铝渣配比为4:
1，取10g玻璃粉与2.5g铝渣混匀并分散于200mL2mol·
L-1NaOH溶液中，置入配有搅拌器的高压釜内，升温至150oC，自生压力0.5MPa，高速搅拌反应10h，研磨产物至约10μm，得废玻璃/铝渣人工沸石
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