煤矸石负载壳聚糖制备重金属吸附功能陶粒及其吸附性能研究①

□□ 高 翔，王 正，屈 湃，王 倩，苗 洋

(1.山西晋通企业资产管理有限公司，山西 太原 030000；2.太原钢铁集团粉煤灰综合利用有限公司，山西 太原 030003；3.太原理工大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030000)

引言

近年来，由于饮用水源污染导致初生婴儿致畸，村民致癌的问题屡见不鲜。作为污染物之一的重金属离子，不仅极大地破坏了环境，而且严重影响着人们的身体健康[1-2]。山西省作为煤炭大省，每年伴随有大量的煤矸石产生，作为固体废弃物，煤矸石在侵占土地的同时也带来大量的安全隐患[3-4]。在煤矸石的资源化利用过程中，大多数研究是将其作为添加料加入水泥中用于改善水泥的性能，同时达到降低生产成本的目的，而其在吸附材料方面的研究和应用少之又少[5-6]。

1 试验

1.1 材料和仪器

煤矸石取自山西省忻州地区；壳聚糖、重铬酸钾均为分析纯。Cr(VI)浓度测定采用722N紫外可见分光光度计；物相分析采用D2PHASER型X射线衍射仪；比表面积分析采用JW-BK122W比表面积及孔径分析仪；造粒采用包衣机。

1.2 试验原理和步骤

1.2.1 试验原理

Cr(VI)浓度按照GB 7467—1987《水质 六价铬的测定 二苯碳酰二肼分光光度法》测定，机理为Cr(VI)在酸性溶液中与二苯基碳酰二肼发生反应生成紫红色化合物。

1.2.2 试验步骤

将煤矸石破碎至400目(38 μm)以下，在800 ℃条件下煅烧(升温速率为5 ℃/min，保温时间为60 min，后随炉冷却)。称取10 g壳聚糖溶解于1 L体积分数为5%的醋酸溶液中，加入150 g煤矸石搅拌，2 h后加入1.0 mol/L的NaOH溶液200 mL，继续搅拌1 h之后过滤出煤矸石混合物，用去离子水洗涤至中性，置于电热鼓风干燥箱中烘干，随后倒入包衣机中造粒，筛选出3～5 mm的陶粒进行后续试验。

1.3 试验表征

煤矸石和经800 ℃煅烧的煤矸石XRD图如图1所示。

图1(a)中观察到代表高岭石结构的“山”字峰，表明此状态下的煤矸石晶形完整；图1(b)中观察到“馒头”状峰形，表明煤矸石煅烧后生成非晶态物质，800 ℃下呈现独特的偏高岭化。

煤矸石、800 ℃煅烧煤矸石的BET参数见表1。分析表1的BET参数可知，煤矸石经800 ℃煅烧后其比表面积和吸附孔径均明显增加。结合图1可知，煅烧过程中伴随脱羟除碳的发生，破坏了煤矸石的晶体结构，增大了其比表面积和内部空隙。

表1 煤矸石、800 ℃煅烧煤矸石的BET参数

2 结果与讨论

2.1 煅烧温度对煤矸石吸附性能的影响

将不同温度下的煅烧煤矸石与壳聚糖制备的煤矸石陶粒用于对Cr(VI)的吸附，取1 g陶粒置于100 mL浓度为10 mg/L的Cr(VI)溶液中，进行3 h的吸附试验，探究煅烧温度对煤矸石对Cr(VI)吸附性能的影响。不同温度煅烧后的煤矸石对Cr(VI)的去除率如图2所示。

图2 不同温度煅烧后的煤矸石对Cr(VI)的去除率

由图2分析可得，随着煅烧温度的上升，对Cr(VI)去除率先升高，在800 ℃达到最高点，而后开始急剧下降。煅烧温度≤800 ℃时，随着煅烧温度的提高，煤矸石内部有机质挥发，自由水和结合水脱去，内部孔隙增大，分子活性增加，使得去除Cr(VI)的能力提高；煅烧温度>800 ℃时，随着温度继续增加，煤矸石出现“死烧”，部分熔融态阻塞内部孔隙，导致其对Cr(VI)的去除率降低。

2.2 陶粒投加量和Cr(VI)离子浓度对煤矸石吸附性能的影响

进行不同煤矸石陶粒投加量和Cr(VI)离子浓度下的吸附试验，探究不同试验条件对Cr(VI)去除率的影响，Cr(VI)去除情况如图3所示。

图3 Cr(VI)的去除率

由图3(a)分析可得，随着陶粒投加量的增加，对Cr(VI)的去除率不断上升，增速越来越缓，当投加量达到0.8 g(8 g/L)之后去除率基本不变，保持在68%，说明此时陶粒对溶液中Cr(VI)吸附与脱附过程达到平衡。由图3(b)分析可得，随着Cr(VI)初始浓度的增加，去除率逐渐下降，降速越来越快，当浓度为10 mg/L时，去除率最大为75.6%，表明陶粒表面和内部的活性点位对Cr(VI)的吸附已进行充分。

3 结论

3.1 煤矸石经800 ℃煅烧后出现偏高岭化，此时孔隙率增大，活性提高，按照质量分数15∶1负载壳聚糖后所制陶粒，对Cr(VI)离子具有很好的净化效果。

3.2 当Cr(VI)初始浓度为10 mg/L，煤矸石陶粒投加量为8 g/L时，对Cr(VI)去除率可达到75.6%。