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膨润土复合颗粒制备及对含重金属离子酸性矿山废水处理研究

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摘要

1 绪论

1.1 酸性矿山废水研究背景

1.2 矿山废水的形成、成分、特点和危害

1.2.1 矿山废水的形成

1.2.2 矿山废水的成分

1.2.3 矿山废水的特点

1.2.4 矿山废水的危害

1.3 矿山废水的处理方法

1.3.1 中和法

1.3.2 硫化沉淀浮选法

1.3.3 电化学处理

1.3.4 铁氧体处理技术

1.3.5 离子交换法

1.3.5 吸附法

1.3.6 溶剂萃取法

1.3.7 膜分离法

1.3.8 微生物法

1.3.9 人工湿地法

1.4 膨润土的简介、改性方法及在国内外的开发利用现状

1.4.1 膨润土的简介

1.4.2 膨润土的改性方法

1.5 膨润土吸附去除重金属离子的国内外研究现状

1.5.1 膨润土处理重金属离子的国内研究进展

1.5.2 膨润土处理重金属离子的国外研究进展

1.6 本课题的研究目标、内容、方法、创新点和技术路线

1.6.1 研究目标

1.6.2 研究内容

1.6.3 研究方法

1.6.4 创新点

1.6.5 技术路线

2 试验材料、器材和测定项目

2.1 试验材料

2.1.1 试验主要材料

2.1.2 试验辅助材料

2.1.3 生物挂膜填料

2.2 分析项目与测定方法

2.3 化学试剂与仪器设备

2.4 试验指标测定标准及方法

2.4.1 水质铁的测定

2.4.2 水质锰的测定

2.4.3 水质铜的测定

2.4.4 水质锌的测定

3 膨润土复合颗粒吸附剂中碱性材料筛选的静态试验研究

3.1 膨润土复合颗粒吸附剂的制备

3.2 不同碱性材料碱度释放的研究

3.2.1 固体颗粒碱性材料碱度释放的研究

3.2.2 不同膨润土复合颗粒碱度释放的研究

3.3 不同膨润土复合颗粒对Mn2+去除效果的研究

3.4 两种膨润土复合颗粒饱和吸附量的对比

3.5 两种膨润土复合颗粒散失率的比较

3.6 膨润土-钢渣复合颗粒碱度的最大释放量

3.7 本章小结

4 膨润土-钢渣复合颗粒吸附剂最佳制备工艺条件的研究

4.1 膨润土-钢渣复合颗粒中两者配比的研究

4.1.1 不同配比膨润土-钢渣复合颗粒吸附重金属离子速率的研究

4.1.2 不同配比膨润土-钢渣复合颗粒释放碱度的研究

4.1.3 不同配比膨润土-钢渣复合颗粒散失率的研究

4.2 膨润土-钢渣复合颗粒中外掺粘结剂比例的研究

4.3 不同吸附剂吸附Fe2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+的效果对比

4.4 焙烧粒径、时间和温度对重金属离子去除效果的影响

4.4.1 焙烧粒径对重金属离子去除效果的影响

4.4.2 焙烧时间对重金属离子去除效果的影响

4.4.3 焙烧温度对重金属离子去除效果的影响

4.4.4 膨润土-钢渣复合颗粒最佳工艺制备条件的确定

4.5 本章小结

5 最佳膨润土-钢渣复合颗粒吸附剂吸附矿山废水中重金属离子的试验研究

5.1 最佳复合颗粒吸附剂吸附重金属离子影响因素研究研究

5.1.1 吸附剂投加量对吸附效果的影响

5.1.2 吸附时间对吸附效果的影响

5.1.3 pH对吸附效果的影响

5.1.4 震荡速率对吸附效果的影响

5.1.5 温度对吸附效果的影响

5.1.6 不同重金属离子浓度对吸附效果的影响

5.2 Fe2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+共存时的竞争吸附特性

5.3 膨润土-钢渣复合颗粒对模拟酸性矿废水的去除研究

5.4 膨润土-钢渣复合颗粒吸附剂吸附等温式的确定

5.4.1 Fe2+吸附等温式的确定

5.4.2 Mn2+吸附等温式的确定

5.4.3 Cu2+吸附等温式的确定

5.4.4 Zn2+吸附等温式的确定

5.5 膨润土复合颗粒吸附剂吸附动力学的特征描述

5.5.1 Fe2+吸附动力学方程式的确定

5.5.2 Mn2+吸附动力学方程式的确定

5.5.3 Cu2+吸附动力学方程式的确定

5.5.4 Zn2+吸附动力学方程式的确定

5.6 本章小结

6 膨润土-钢渣复合颗粒对AMD中重金属离子去除的动态试验研究

6.1 动态试验装置及运行控制条件

6.2 动态柱的启动方法

6.3 膨润土复合颗粒吸附剂对AMD处理效果分析

6.3.1 1#重金属离子浓度和pH变化情况

6.3.2 2#重金属离子浓度和pH变化情况

6.3.3 3#重金属离子浓度和pH变化情况

6.4 本章小结

7 膨润土-钢渣复合颗粒吸附剂与微生物还原联用处理ADM的大动态试验研究

7.1 大动态试验装置及运行控制条件

7.2 动态柱的启动方法

7.3 动态柱对AMD动态处理效果分析

7.3.1 动态柱中pH的变化

7.3.2 动态柱对Fe2+的去除效果

7.3.3 动态柱对Mn2+的去除效果

7.3.4 动态柱对Cu2+的去除效果

7.3.5 动态柱对Zn2+的去除效果

7.3.6 动态柱对SO42-的去除效果

7.3.7 动态柱对S2-的去除效果

7.4 本章小结

结论与展望

参考文献

作者简介

学位论文数据集

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摘要

矿山废水大多呈酸性,含有多种重金属离子,且水量大、污染持续时间长,为了解决酸性矿山废水中的酸性和重金属离子,本文研究了既可释放碱度中和酸又可吸附重金属离子的膨润土复合颗粒吸附剂的最佳制备工艺条件、筛选的最佳复合颗粒碱度释放机制、对重金属离子的吸附性能、影响因素、吸附动力学,并与微生物法联用对AMD进行了动态试验研究,以开发一种处理AMD有效的环境矿物材料,并探索一种吸附法与微生物联用的协同、高效、经济、环保的水处理方法。
  通过碱性材料对比试验研究,筛选出钢渣是膨润土复合颗粒的最佳碱性材料,其制成的颗粒释放碱度大,散失率小,吸附容量大。通过对膨润土和钢渣配比、外掺剂量、焙烧粒径、焙烧温度、焙烧时间等条件研究确定了膨润土-钢渣复合颗粒制备的最佳工艺条件为:膨润土-钢渣配比为5∶5、外掺剂的量为颗粒质量的5%、焙烧粒径2mm、焙烧时间1.5h、焙烧温度500℃。通过静态试验研究确定了最佳膨润土-钢渣复合颗粒吸附剂释放碱度可中和酸性矿山废水的调节机制、以及吸附去除Fe2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+的影响因素、吸附性能、机理、吸附动力学,在温度25℃、振荡强度100r/min、投加量21g/L、吸附时间120min、pH为6-8之间时反应条件最佳,Fe2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+单独存在的初始浓度分别为:150、100、170、140mg/L时,去除率均可达到90%以上,Fe2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+共存时,存在竞争吸附,Cu2+被优先吸附,其次为Fe2+、Zn2+、Mn2+;该复合颗粒对模拟酸性矿山废水处理研究表明:反应时间3h时,Fe2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+的去除率均达到了95%以上,处理后水的pH为8,所以该复合颗粒吸附剂是治理酸性矿山废水的优良水处理材料;建立了膨润土-钢渣复合颗粒吸附剂在25℃、35℃、45℃条件下对Fe2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+的吸附均为Freundlich吸附等温模型;动力学研究表明,膨润土-钢渣复合颗粒对Fe2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+吸附符合准二级动力学模型。
  通过小型动态吸附柱对模拟酸性矿山废水中重金属离子的吸附去除和酸度的调节机制进行了研究,确定了水力停留时间、容积水力负荷为设计、运行提供了参考。
  通过膨润土复合颗粒和微生物还原联用处理AMD的动态试验研究表明:膨润土复合颗粒和生物挂膜材料采用分层的装填方式要比不分层的处理效果好,揭示了膨润土吸附重金属离子后有利于微生物还原、微生物还原SO42-产生的S2-可进一步固定重金属离子、并使膨润土复合颗粒获得再生,可实现同步除硫、除重金属离子、降低酸度的目的,是一种协同高效的水处理方法,值得推广应用。

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