活化赤泥制备及其磷酸盐吸附性能与机理研究
Preparation of Activated Red Mud and Its Performance and Mechanisms for Phosphate Adsorption

赤泥是制铝工业提取氧化铝时产生的污染性废渣,平均每生产1吨氧化铝,附带产生0.3-2.0吨赤泥.随着铝工业的发展和铝土矿石品位的降低,全球赤泥的产生量越来越大.因此赤泥的合理处理和利用极其重要.本研究主要将中和活化技术及酸活化技术联合应用于赤泥的改性,系统研究了酸活化的中和赤泥(acid-activated neutralized red mud,Aa N-RM)对磷酸盐的吸附性能及吸附机理.考虑到粉末改性赤泥在实际应用中的局限性,将粉末活化赤泥进行颗粒化,考察了颗粒活化赤泥在静态吸附及动态吸附过程中的磷酸盐吸附性能和吸附机理.中和活化技术和酸活化技术联合应用可以显著改善赤泥的磷酸盐吸附性能.利用响应面法成功优化了Aa N-RM的制备.通过拟合系数及精密度分析可知,响应面法所建立的模型可信度高,数据合理,所拟合的二次回归方程能够合理反映赤泥活化过程中各个影响因素与响应值之间的关系.在活化盐酸浓度为10.20mol/L、活化时间为5.60 h及活化温度为41.00 oC的条件下,Aa N-RM的磷酸盐吸附量(以PO43-计)达到170.75 mg/g,分别是原始赤泥及中和活化赤泥的10.53倍和6.62倍.通过静态试验考察了不同操作条件,包括Aa N-RM投加量、吸附温度、溶液p H、初始磷酸盐浓度以及共存竞争离子对Aa N-RM吸附磷性能的影响.结果表明,适宜的Aa N-RM投加量、吸附温度及初始p H分别为0.5 g/L、50 oC、4.5.随着初始磷酸盐浓度的增加,Aa N-RM的磷酸盐吸附量先增加然后趋于平衡.共存的碳酸根离子可与磷酸盐竞争Aa N-RM表面的有效吸附位点,导致Aa N-RM的磷酸盐吸附量降低.Aa N-RM对磷酸盐的吸附过程可用伪二级动力学模型及Langmuir-Freundlich吸附等温式描述,说明Aa N-RM对磷酸盐的吸附受多种吸附机理的影响.吸附机理分析表明,磷酸盐通过离子交换、沉淀及表面沉积机理在Aa N-RM表面形成磷酸盐复合物Fe-P、Al-P、Fe-P-H3PO4及Al-P-H3PO4.通过对吸附磷酸盐后Aa N-RM样品中的磷元素(P 2p)进行XPS扫描发现,在Aa N-RM吸附磷酸盐的过程中,59.78%的磷酸盐通过沉淀和离子交换的形式与Aa N-RM相结合,40.22%的磷酸盐通过表面沉积的形式吸附于Aa N-RM表面.利用粉末Aa N-RM、稻草粉末及羟丙基甲基纤维素(HPMC)成功制备了颗粒Aa N-RM,并将其用于磷酸盐的吸附.颗粒Aa N-RM优越的磷酸盐吸附性能可归因于较大的比表面积.该比表面积主要是由颗粒Aa N-RM复杂的矿物相及在制备的过程中添加稻草粉末促进孔隙生成决定的.研究结果表明,不同的制备条件,包括原料质量比、焙烧温度及焙烧时间显著影响颗粒Aa N-RM的吸附性能.当稻草粉末的比例从0提高到33%时,颗粒Aa N-RM的总孔容积从0.0056 cm3/g提高到0.0375 cm3/g,但是稻草粉末比例的提高可减少颗粒Aa N-RM表面的有效吸附位点,导致颗粒Aa N-RM磷酸盐吸附性能的降低;焙烧温度及焙烧时间不仅会影响颗粒Aa N-RM的强度,还有导致部分颗粒Aa N-RM中的Fe Cl3.2H2O转化为Fe Cl2与Fe OCl、Al(OH)3转化为Al2O3,从而降低颗粒Aa N-RM的磷酸盐吸附性能.颗粒Aa N-RM的最佳制备条件:粉末Aa N-RM、稻草粉末及HPMC的质量比为71:22:7、焙烧温度为225 oC、焙烧时间为30 min.通过静态实验考查了颗粒Aa N-RM吸附磷酸盐的特征.结果表明,颗粒Aa N-RM的磷酸盐吸附量随着吸附温度及溶液初始p H值的升高先升高后降低.当吸附温度为40 oC、初始溶液p H值为6.0时,颗粒Aa N-RM的磷酸盐吸附量达到120.68 mg/g.颗粒Aa N-RM对磷酸盐的静态吸附过程可用Richie多级动力学模型及Langmuir-Freundlich吸附等温式描述.XPS扫描结果表明,颗粒Aa N-RM吸附磷酸盐的过程中,79.01%的磷酸盐通过沉淀和离子交换形成强化学键与颗粒Aa N-RM相结合,20.99%磷酸盐通过表面沉积的形式形成弱化学键与颗粒Aa N-RM相结合.颗粒Aa N-RM首次成功应用于固定床系统吸附磷酸盐.结果表明,颗粒Aa N-RM固定床吸附系统具有优越的磷酸盐吸附性能,最大磷酸盐吸附量为84.80mg/g,处理污水的柱床体积数高于495.利用0.5 mol/L的盐酸溶液可对颗粒Aa N-RM进行有效解吸.经过5次吸附-解吸过程后,颗粒Aa N-RM吸附磷酸盐的解吸率仍然达到83.45%,其质量损失仅为3.57%.颗粒Aa N-RM的磷酸盐吸附量随着初始磷酸盐浓度及填料层高度的增加而增加,随着磷酸盐溶液流速的增加而减少.颗粒Aa N-RM固定床吸附系统适宜的空塔接触时间及初始溶液p H值分别为24.27 min及5.52.动态吸附数据拟合结果表明,5-9-1人工神经网络模型比Thomas模型和Adams-Bohart模型更适合于描述颗粒Aa N-RM固定床系统对磷酸盐的动态吸附过程.