（矿物加工工程专业论文）硅藻土在水处理中的吸附特性研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 水体污染主要来自于工业和农业废水，以及城市生活污水的排放。在工业 及农业排放的废水中，主要的污染源是重金属和有机物；而生活污水中则主要 是各种洗涤剂、重金属和微生物等。现有的污水处理技术普遍存在着设备烦琐、 工艺复杂，而且许多还有产生二次污染等缺点，所以开发环保型污水处理技术 十分重要。硅藻土是古代单细胞低等植物硅藻的遗骸堆积沉积后，经过初步成 岩作用而形成的一种具有多孔性的生物硅质岩。它是由硅藻的壁壳组成的，壁 壳卜有多级、大量、有序排列的微孔，孔隙率和比表面积大，吸附性强，这种 独特的特性赋予它许多优良的性能。本文以吉林长白硅藻土为吸附剂，以重金 属离子和微生物为吸附质，研究了硅藻土吸附剂在水相中对吸附质进行吸附时 各试验条件与吸附效果之间的关系，并对吸附过程中的吸附规律和作用机理进 行了探讨。 试验结果表明，硅藻土对水相中的c u ”、n i ”、p b “、z n 2 + 等重金属离子具 有良好的吸附效果。通过对吸附时间、硅藻土用量、溶液初始p h 值等单一试 验条件与吸附效果之间关系的研究，最终得到最佳吸附效果的工艺参数： t = 5 m i n ，m = 1 0 9 l ，p h = 6 7 ，c o = 1 9 2 m g l ，t = 4 2 * c ，c u ”去除率可达到9 3 5 ； t = 3 0 r a i n ，m = 1 0 l ，p h = 6 7 ，( 2 0 = 1 7 6 0 7 m g l ，t = 4 5 ，n i ”去除率可达到 6 7 2 ；t = 2 0 m i n ，m = 3 l ，p h = 6 7 ，c o = 1 0 3 6 m g l ，t = 2 8 ，p b 抖去除率接 近1 0 0 ；t = 1 0 m i n ，m = 1 0 9 l ，p h = 6 7 ，c o = 9 8 l m g l ，t = 2 7 c ，z n 2 + 去除率 接近1 0 0 。 此外，硅藻土对溶液中诺卡氏菌和啤酒酵母菌的吸附试验结果表明，硅藻 土对溶液中的微生物也有较好的吸附效果。通过在单一试验条件下硅藻土对微 生物的吸附规律研究，找到了吸附的适宜条件：t = 3 0 m i n ，m = 2 0 9 l ，d h = 7 2 0 左右，t = 4 0 。c ，诺卡氏菌去除率可达到7 0 5 9 ；t = 2 0 m i n ，m = 2 0 9 l ，d h = 7 4 9 左右，t = 2 0 。c ，啤酒酵母菌去除率可升高到6 4 。 尔北人学硕十学位论文 摘要 扫描电镜和能量分析谱的分析结果及羟基化功能基与重金属离子反应方 程式表明，硅藻土的微孔和表面是进行吸附的重要部位。硅藻土对重金属离子 的吸附以微孔吸附作用为主，此外还有表面配位吸附、离予交换吸附和物理吸 附等；硅藻土吸附微生物的作用机理主要是微孔吸附、表面配合吸附及物理吸 附等。 硅藻土吸附剂作为环境矿物材料，廉价易得、吸附容量大、处理效果好， 而且不产生二次污染，显示了其在污水处理工业中良好的应用前景。 关键词：硅藻土污水吸附重金属离子微生物 i i 东北人学硕十学位论文 a b s l ra c t a b s t r a c t w a s t e w a t e rp r o d u c e di ni n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ，a sw e l la sl i f ew a s t e w a t e ro f c i t yi sm a i n l y s o u r c eo f w a t e r p o l l u t i o n h e a v ym e t a l sa n do r g a n i cs u b s t a n c e s a r ec h i e f c o n t a m i n a t i o ni nw a s t e w a t c rf r o mi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ；v a r i o u ss c o u r i n ga g e n t s a n ds o m eh e a v ym e t a l s ，a l o n gw i t hb a c t e r i aa n dm i c r o o r g a n i s ma r ep o l l u t a n ti nl i f e w a s t e rw a t e r ，l o n g w i n d e de q u i p m e n t sa n dc o m p l i c a t e dt e c h n i q u e s ，t o g e t h e rw i t h s e c o n d - p o l l u t i o na r ed i s a d v a n t a g e so f t h ec o n v e n t i o n a lw a s t e w a t e rt r e a t i n gm e t h o d s ， s oi ti s v e r yi m p o r t a n t t o o p e nu pn e w l ye n v i r o n m e n t p r o t e c tw a s t e w a t e rt r e a t i n g m e t h o d s d i a t o m i t ei sak i n do fb i o l o g i c a r g i l l i t e w i t hm a n yh o l e s b yp r i m a r y c e r t i f i c a t e df u n c t i o n , i ti s c o m p o s e d o fd e p o s i tr e m a i n so fa n c i e n t s i n g l e - c e l l p l a n t - - d i a t o m d i a t o m i t ei sm a d e o fd i a t o m a c e o u sl a m e l l at h a tt h e r ea r em a n yo r d i n a l h o l e s ，b i gp o r o s i t ya n ds p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dp o w e r f u la b s o r b a b i l i t y , w h i c he n d o w d i a t o m i t ew i t hal o to fe x c e l l e n tc a p a b i l i t i e s j i l i nc h a n 曲a id i a t o m i t ei su s e df o r a d s o r b e n t ，h e a v ym e t a l sa n dm i c r o o r g a n i s ma r eu s e df o ra d s o r b a t ei nt h i st h e s i s ，t h e r e l a t i o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a lf a c t o ra n da d s o r b e n te f f e c ti ss t u d i e d ，a n da d s o r b e n t r e g u l a ra n d a c t i o nm e c h a n i s mi nt h ec o u r s eo fa d s o r p t i o na r ed i s c u s s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a ti th a dg o o da d s o r p t i o ne f f e c to nh e a v y m e t a ls u c ha s c u 抖，n i 抖，p b 2 + ，z n 2 + a n ds oo n b y a d s o r p t i o n o f d i a t o m t e b ys t u d y o f r e l a t i o nb e t w e e ns i n g l e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s u c ha s a d s o r p t i o nt i m e ，d i a t o m i t e a m o u n t ，i n i t i a lp ho fs o l u t i o ne t ca n da d s o r p t i o ne f f e c t ，t h e o p t i m u ma d s o r p t i v e c o n d i t i o n sc a l lb e o b t a i n e d ：t = 5 m i n ，m = 1 0 9 l ，p h = 6 7 ，c o = 1 9 2 m g l ，t = 4 2 。c ， r e m o v a lr a t eo f c u ”r e a c h e s 9 3 5 ：t = 3 0 m i n ，m = 1 0 9 l ，p r i = 6 7 ，c o = 1 7 6 0 7 m g l ， t = 4 5 。c ，r e m o v a lr a t eo f n i 2 + i s 6 7 2 ；t = 2 0 m i n ，m = 3 9 l ，p h = 6 7 ，c o = 1 0 3 6 m g l ， t = 2 8 。c ，r e m o v a lr a t eo fp b ”i sn e a r 1 0 0 ；t = 1 0 r a i n ，m = 1 0 9 l ，p h = 6 - 7 ， c ( 】= 9 8 1 m g l ，t = 2 7 。c ，r e m o v a lr a t eo f z n 2 + a b o u t1 0 0 。 i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t f u r t h e r m o r e ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hr e s u l t st h a td i a t o m i t ea d s o r p e dn o c a r d i aa n d b e e r s a c c h a r o m y c e t ei ns o l u t i o ns h o w e dt h es a m eg o o de f f e c t o p t i m u ma d s o p t i v e c o n d i t i o n sc a nb ed r a w no u tt h r o u g h s t u d yo fs i n g l ee x p e r i m e n t a l c o n d i t o na n d a d s o r p t i v ee f f e c t t = 3 0 m i n ，m - - 2 0 l ，p h = 7 2 0 ，t = 4 0 。c ，r e m o v a lr a t eo f n o c a r d i a c a nr e a c h 7 0 5 9 ；t = 2 0 m i n ，m = 2 0 9 l ，p h = 7 4 9 ，t - - 2 0 ，r e m o v a l r a t eo f b e e r - s a c c h a r o m y c e t ei s6 4 。 r e s u l t so fs e ma n de n e r g ys p e c t r u m ，a n dr e a c t i o ne q u a t i o nb e t w e e nh y d r o x y f u n c t i o nr a d i c l ea n d h e a v y m e t a li o ni n d i c a t e dt h a th o l e sa n ds u r f a c eo fd i a t o m i t ew e r e i m p o r t a n ta d s o r p t i v ep l a c e af u n c t i o nt h a ta d s o r p t i o no fd i a t o m i t et oh e a v ym e t a li o n w a sh o l e s a d s o r p t i o nm a i n l y , t o g e t h e rw i t hs u r f a c ec o m p o u n da d s o r p t i o n ，i o n e x c h a n g ea d s o r p t i o n a n d p h y s i c sa d s o r p t i o n a n d s o o n a d s o r p t i o n f u n c t i o no f d i a t o m i t et om i c r o o r g a n i s mw e r eh o l e sa d s o r p t i o n ，s u r f a c ec o o p e r a t ea d s o r p t i o na n d p h y s i c sa d s o r p t i o n a se n v i r o n m e n t a lm i n e r a lm a t e r i a l ，d i a t o m i t eh a sm a n ye x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s s u c ha s c h e a p n e s sa n de a s y - g a i n e d ，b i ga d s o r p t i v e c a p a c i t y ，e x c e l l e n tt r e a t i n g e f f e c t i v e n e s s ，t o g e t h e rw i t hn os e c o n dp o l l u t i o n a l lt h e s ec h a r a c t e r i s t i c ss h o wt h a t d i a t o m i t eh a sf a v o r a b l ef o r e g r o u n di na p p l i c a t i o no f w a s t e w a t e r t r e a t i n gi n d u s t r y k e yw o r d ：d i a t o m i t e ，w a s t e w a t e r ，a d s o r p t i o n ，h e a v y m e t a l s ，m i c r o o r g a n i s m 声明 本人声明所提交的学位论文是在导师的指导下完成的。 沦文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包括 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得 其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：i 耗名柄 日 期：删憎 j 、北火学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 水是地球上一切生命赖以生存、人类生产和生活不可缺少的基本物质，是地 球上自然资源中不可替代的重要物质。 随着工农业生产的高速发展，城镇数量增加及规模扩大，人们对洁净水的需 求量将迅速上升；与此同时，生产和生活活动中产生的污水和废液的排放量也将 急剧增加。污水中往往含有一些对人体和动植物等有害或有不良影响的污染物， 当污水的排放未得到适当的管理和控制时，将作为污染源影响天然水体的洁净， 使水中的污染物超过正常含量，破坏了水体原有的性质和用途f l ，2 1 。因此，必须采 取有效的措施来保护水资源。 表1 1 我国和其他国家人均占有水资源的比较4 t a b l e1 1c o m p a r i s o n o f w a t e rr e s o u r c e b e t w e e n c h m aa n do t h e rc o u n t r i e s 国家年径流总量年径流人口人均水量耕地平均水量 ，亿m 3 r a m亿 m 3 人。，亿h m 2，万n 1 3 h m 。2 巴两5 1 9 1 26 0 91 2 34 2 2 0 00 3 2 41 6 0 5 前苏联4 7 1 4 02 1 12 6 41 7 8 6 02 2 72 0 8 加拿大3 1 2 2 03 1 302 41 3 0 0 8 00 4 3 671 6 美国2 9 7 0 23 1 72 2 0 1 3 5 0 01 8 9l5 7 印尼2 8 1 1 31 4 7 5 1 4 81 9 0 00 1 4 21 9 8 印度1 7 8 0 05 1 46 7 82 6 2 51 6 510 8 h 本 5 4 7 01 4 7 011 64 7 1 600 4 31 2 6 9 中国 2 7 1 1 42 8 41 2 o2 4 9 210 4 32 7 我国北方4 5 0 77 446 8 9 6 30 6 3 5o 7 1 我国南方2 2 6 0 76 5 05 6 24 0 2 303 6 9 6 1 3 从见表1 1 中可以看出，我国的水资源总量非常丰富，约为2 7 万亿立方米， 居世界第6 位，但人均占有量仅为2 5 0 0 立方米，远远低于世界人均占有水量1 0 2 4 0 立方米的水平3 1 。此外，我国的水资源分布很不平衡，而且水资源的浪费和水体 污染情况十分严重。因此，如果不改变现有的各种浪费水资源的状况、对污水进 东北大学硕士学位论文 第一耄绪论 行有效的治理，到即将出现世界性的水危机时，人们的生产、生活和消费将会受 茔严蹙翡影镌。 髓蘑工农艘生产的发展、人弱的增长，承污染的怒桃已经为我们敲响了警铸。 据估诗，1 9 9 9 年全雪逡8 0 静污永泰经处理巍接裤敖剩江淫潮海中，年辑放爨这 4 0 0 亿立方米，造成全国l 3 以上的水域受到污染。在全国6 8 4 个城市中，仅毒 2 0 0 余座在建域建成的污水处理厂，且集中在七八十个大中城市里，叠国污水处 璎率仪为2 0 左右f 5 j 。污承的泉源缀多虽成分复袋( 觅表1 2 ) ，船工渡废水、城 镇生活污水、农业径流、城常径流和雨水( 如酸雨) 端陋】。 表t 2 污水中毒害秘震主要成分 t 如l e1 2m a i nh a n n f u lc o m p o n e n t si nw a s t e w a t e r 成分来源对承质的彩响 瓣氧兹蔟多为寿筑耪，特裂是丸类粪便滂耗水串溶解氧 濉降解有机工业废物、生活垃圾对水熊慰物有毒 癍毒人类废弃物致病( 可能致癌) 洗涤翔家掰洗涤荆感宙，对承生生物有簿性 磷酸盐洗涤i ! j增加藻类营养物 澜湮鼹、涵烹调食品搦二 ，工般废物感蛮+ 对莱登承生生翰毒害 盐燮a 类和工她的凌物较承荆增加采的盐度 重金属工业废物，化学实验室废弃物毒性 整合裁袋些浚涤裁、工鼗凌耪霪金矮离子薜迁移 器种固体所商污染源感寓，对水生生物奁密 摄据【美 s t a n l e ye m a n a h a n 对于任搿污染物，入们都隧发明榴应的有效治瑾方法，关键问题怒污染防治 技术熬成本阈避，这邈是妥善惩决琢缳与生产之阗、环凌与发震之鞠矛秀豹美键 所在。对于生产力水平较低的广大发鼹中国家，开发、剩用成本低廉的环保技术 其意义整为壁太。环麓矿物瓣辩翡密瀵，在缀太疆囊上褥益予天然矿耱掰其露的 良好纂本性能，环境矿物材料对污染物的净化功能主鹱体现在矿物表网的吸附作 用、静“物孔道的过滤侔粥、矿物层闻离子的交换作用 7 , 8 i 等方简，对予污水中的重 金属离子、微姜曼物及其他污染物舞有嶷好静吸附性，阑其具寄 氐成零、处理设备 简萃、效果好，秃二次污染等优点，醚成为污水处理披术优先汗媵的瀵点研究方 舞之一。 2 东e 火学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 硅藻土的基本特性及应用现状 对硅藻资源的认识鞠应用始予十九世纪，自从1 8 8 6 年德国海德尔( h e d d l e ) 等人首次利用硅藻土作为过滤介质以来，经1 0 0 多年的发展，用硅藻土作原料加 工出的产品超过5 0 0 种，它们广泛应用于食品、酿造、饮料、制糖、油类加工、 染瓣、农蕊、合成橡胶、耀料、亿工合成、炸药等镢域。 我国是硅藻土富产国之一，自1 9 3 5 年中蹦首次发现硅藻土矿以来，已有吉 林( 长白、华甸、海龙和抚松) 、浙江( 嵊县) 、云南( 寻甸) 、四川( 米易) 、 湖北( 随娶) 、由东( 临胸) 、安徽( 芜湖) 、黑龙江、河北、江西、广东和遁 藏皂治区等1 3 个省区发现矿产地5 0 处，迄今全垦已探明的黯量为3 5 亿缱，远 景储量约2 0 亿吨【9 j 。 1 2 1 硅藻土的物理特性 硅藻土是古代单细胞低等植物硅藻的遗骸堆积沉积后，经过初步成岩作 用而形成的一种具有多孔性的生物硅质岩，颜色一般为白色、灰白色、灰黄色、 灰绿色；外形为块状、页袄或滕状。硅藻是幽硅藻的壁壳组成的，壁壳上有多 级、大量、有廖排列的微孔，这种独特的结构特性赋予它许多优良黪牲熊。硅藻 土性能稳定，无污染，具有耐酸、密度( 2 0 0 0 2 5 0 0 k g m 3 ) 小、耐高温( 熔点 1 6 1 0 - 1 7 5 0 ) 、导热系数小( 0 1 2 0 1 6 ) 、孔隙率大( 8 0 9 0 ) 、孔体积大 ( o ，4 5 0 9 5 c m 3 g ) 、魄表丽积大( 1 0 8 0 m 2 g ) 等特点。吸附性能强，能吸酣等 于自身质量1 5 - - 4 倍的液体、自身质量1 1 1 5 倍的油分；它的表丽电位在水溶液 中通常为负值，而且绝对值大，吸附正电荷能力强，因而它作为吸附剂在水处理 中应用范阐极其广泛 a 。 硅藻的主要化学成分是s i 0 2 ，它构成了醚藻壳钵；其次楚矿物质，一般禽 有蒙脱石、依利石、高岭石、石英、长石等矿物，因此化学分析中有a j 2 0 3 、f e 2 0 3 、 c a o 、m g o 、n a 2 0 、k 2 0 等成分。此外，礁藻土中还含有一部分有机质和水，有 枫质豹含羹影响矿物敬色泽和烧失量 n ，。在硅藻矿物中，通常s i 0 2 的含量趟 商表明硅藻土的精度级别越高。对硅藻士的活化有酸活化和高温活化两种方法， 适当的高温活化可使硅藻士中的s i 0 2 含量增加。但温度升高到定程度后，可能 导致疆藻孛s i 0 2 晶体的熔融，它所形成的骨架被破坏，使表黼均匀分布的微孔 受到堵塞，失去硅藻土原奄的物理结构和性质，用作吸黪刹、助滤剂、载体等时 效果不理想。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 硅藻土的应用现状 目前世界上硅藻土的总开采量大约每年2 0 0 万吨，其中6 2 6 5 用于加工硅 藻土助滤剂等过滤材料，1 8 一2 1 用于填料，8 1 0 用于催化剂载体，4 6 用于隔热保温材料，3 一5 用于其他方面。 1 硅藻主体助滤帮 助滤剂是一种分散貔颗粒物质，是将菜种质地坚硬面能够形成巯松床缮豹固 体颗粒预先涂予过滤介质上，或者混入悬浮液中，以形成较为疏松的滤饼，使滤 液得以畅流，这种预涂或预混的粒状物质称为助滤剂【1 5 l 。 硅藻土助滤剂是用优质硅藻土为基本原料加工而成的粉状产品，由于它具有 独特的孔结构、不同的粒度分布范围以及稳定的化学性能，不仅能使被过滤液体 获得很高的流速，并能滤除微细的悬浮物，最小可滤除o 1 # m 1 , u m 的杂质粒子。 在过滤过程中，硅藻土首先在滤板上形成一层多孔的劲滤介质( 顸涂层) ，当滤 液通过助滤荆对，悬浮液中的图体颗粒成聚集状态，尺寸分京发生变化，大颗粒 的杂质在分质表面被捕获驸截翳，形成尺寸分布较窄的一层，并通过它们继续阻 挡或捕获与其尺寸相接近的颗粒杂质，逐渐构成有一定孔隙的滤饼。随着过滤的 进行，颗粒尺寸较小的杂质，逐渐进入多孔隙的硅藻土助滤介质而被截留。因此， 硅藻土助滤剂能大大提高过滤能力，改善澄清度，提高生产效率，减低过滤成本， 所以被广泛应用于各种液体的澄清过滤之中，特别是在某些有特殊要求的工业过 滤中，它更显示出其独特的性能，从而使英应孺更加多样佬，并置不断的得到逐 速发腥。实际应用证明，硅藻勖滤莽j 过滤可去除悬浮物、胶体物质、细菌病毒 等，其过滤作用主要是对杂质的机械截留作用和吸附作用f 1 4 q 6 1 。 过滤技术和设备的不断改进和完善，为硅藻土助滤剂的广泛应用创造了条 件，目前圈外已在食品、饮料、水、油脂、石油化工、医药等许多行业和部门应 用。我国已在淄类( 以啤酒为主) 、糖浆、石化产晶、医药、油脂等行业利用硅 藻土助滤剂过滤净化产品。实际研究中证明f 1 4 , 1 5 ，硅藻土助滤剂在处理印染废水、 含油废水、电镀废水及生活废水等方谣都有良好的效果。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 2 硅藻土作填料 从世界范围来看，填料已成为硅藻土的第二大应用颥域，而我国目前这类产 晶很少，年产仅t 万吨左右。礁藻土结构坚固、成分稳固、无毒性，从冠成为橡 胶、塑料、油漆、肥皂、制药等工业部门广泛应用的优良填充材料，它能改善产 品的稳定性、弹性、分散倥等，提高产品的强度、耐密和耐酸性。 硅藻作为填料，国羚己在粘合裁、聚氨藻甲酸酝、巧氧树艟、聚露烯等高 分子材料中应用。在塑料工业中的主要用途之，是作为低密度聚乙烯薄膜的防 结块剂。在硅橡胶中加入硅藻土填料，可使橡胶耐油和耐热性增强，并能改善加 工瞧能，我雹近年已有入进行这方磷匏研究，研剖豹硅藻土一岛炭蒜复合橡胶补 强剂，使这两种材料能优势互补，以提高其综合补强性能，降低产品成本，开辟 了硅藻土深加工利用的新途径m 埔】。 3 硅藻土作载体 精细加工感豹硅藻，对大多数亿学反应具有惰性，雨且瞅高澄，可作为捅 氢工艺中的镍催化剂、制备硫酸的钒催化剂、石油工业中磷酸催化剂的载体。由 于硅藻土粉体具有孔隙率高、比表面积大，对液体的吸附率高等特点，将其加入 高速搅拌机中，在搅拌过程中阁雾健器加入一定量的无枫抗菌嗣溶液，搅拌一定 时喊后，即德载体抗菌剂产品。硅藻载体抗蔼剂能起到缓释长效的作用，旦其 加入量不同对各种细菌的抑菌效果也不同，同时抗菌剂对细菌也有一定的选择 性。如果硅藻土载体抗菌荆再经过表面处理等工艺处理，再加到有机高分子材料 中，可刽成各手孛抗藏塑料制品、攘菌攘胶钊晶、抗藏涂料等产鼎f 拇捌】。 硅藻土作为农药和化肥的载体，其应用效采也很好，可延长农药和化肥的有 效期。在水处理方面，硅藻土可作为水处理剂的载体，能提高絮凝剂的絮凝效果， 使絮凝物体积加大、沉淀加速、易于压滤，经处理展可回l | 芟再用。用硅藻土作为 絮凝荆，可提离水的处理量及水的净化质量，降低了污水的处理成本。 4 硅藻土作轻体保温隔热材料 硅藻土具有很好的绝热性能，容量低，吸附能力强，比表面积大，腐蚀性较 低。硅藻土经j 羹= 一定的工艺稠工，去除3 5 0 - - - 8 o 的结合水、有桃质及杂覆，所 以高温化学性能稳定，有足够的耐火度和高温抗烧缕能力；同时由于它吸水性较 强，在做隔热涂料中义起到了分散剂的作用；而硅藻土的导热缓慢，则可使涂料 层受热膨胀及开裂倾向，j 、，表面强度也有所提高。复合保温材料以硅藻土为主要 原料，配以适量的增强纤维，以及糕结劐、增稠费珂等，经混合、搅拌、成型、干 燥而成a 这种材料孔隙率大，热阻效应明姓，因而制品导热系数降低，保温性能 垒! ! 查鲎堕主堂垡堡塞 箜二妻! ! 堡 大大改善1 2 2 , 2 3 1 。 5 硅藻土在其健方瑟的用途 硅藻土以其独特的物理化学特性，在其他方面也有广泛的应用，还可以用做 水泥或混凝土的添加剂、化肥和农药防结块剂、储粮保护剂、动物饲料的补充剂、 除臭剂、蓄电池隔板材料、阻撩材料等啤州。 1 3 污水处理技术的研究现状 污出是生活污水、工城废水、被污染的甩水及其他形式污水的总称。污水处 理的目的是用某种方法把污水中的污染物质分离出来，或者将其转化分解成为无 海无害的稳定物质，从而使污水得到净化黔l 。污7 k 中污染物的成分是相当复杂的， 控制处理污水中污染物质的技术方法及工艺也较为繁多。污水水质、水量、处理 后接纳水体以及是否有回用目的、最终处理程度等要求都决定所采用的污水处理 方法各不相同。现代污水处理技术按原理可分为物理处理法、化学处理法及生物 处理法等。 物理法是指对水中含有的一些不溶性悬浮物、油或飘浮物，利用机械力或其 他物理作用将其从水中分离出去的一种方法。在分离过程中不改变其性质，以达 到了污水处理净化的目的f 2 6 l 。例如，传统的沉淀法就是利阁污水中悬浮物质的密 度大予l c m 3 使悬浮物自然沉淀两除去。此外，还毒离心、过滤、蒸发等都是掇 于这一类方法。总体上看，物理法的设备大都比较简单，分离效果良好，应用十 分广泛，除了可以单独使用，还常与其他方法结合使用；但是物理处理法的处理 对象范围较小，对污染物复杂黪污水不太适用。 化学法是借助于化学作用，通过中和、氧化还原、混凝等作用，使污水中的 污染物发生化学性质的变化，阻便能从污水中分离出去，成是由于改变了它们的 化学性质而使其变为无害物质的一类处理方法，其处理的主要对象楚污水中可溶 解的无极物和难以生物降解豹有枧物以及商毒有害的胶状物质f 2 m 刀。例如用中和 法处理酸、碱物质，此外还有电解、氧化还原、萃取、吸附、离子交换和电渗析 等，这些都是比较常用的化学处理方法。 生物处理法主要适用于含有有机污染物的污农，处理过程怒使污水与微生物 混合接触，利用微生物代谢作用，使不稳定的有机和无机毒物转化为稳定无毒物 质的种污水处理方法。根据参与降解的微生物的种类不同，生物处理法又可分 为好氧生物处理法和茨氧生物处理法；根据徽生物在水中所处的状态不同，又蹲 分为淫性污泥法和生物膜法，活性污泥法中豹微生物在水中呈悬浮状态，甄生物 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 膜法中的微生物是附着在其他载体表面呈膜状。活性污泥法和生物膜法是研究褥 较多、应用得较早、技术也较为成熟的方法口5 - - 2 7 1 。 1 4 硅藻土在污水处理方面的研究进展 1 4 1 硅藻土处理污水的研究现状 工业废水和城市污水的排放，造成了较为严重的环境污染，污水的治理越来 越受到重裰。一些传统的处理方法耗资匡大，饺得污永的处理相应带来较为严熏 的经济负担。因此，国内强豹一些研究人爨把眼光放在较为丰害的矿产资源上， 应用某些矿物所具有的独特物理化学性质对污水进行处理【2 们。 据查，早在1 9 1 5 年就有人把硅藻土用于小型水处理装置生产饮用水，而豳 外也把硅藻土作为助滤剂的一个品种来生产和应用。国内对予硅藻的研究和 开发剿起步较晚，但也取褥了镁大的进展。弼浃大学踺硅藻土过滤技术进行了研 究1 3 l ，”】，结果表明硅藻士不仅可以滤除水中固体悬浮物、胶体物质、细菌，还 可以去除藻类、腐植陵及有机物等。同济大学逐进行了硅藻土循环过滤游泳池水 的试验，并在有效容积为6 6 0 m 3 池中进行应用试验，连续使用2 年，设备使用情 况正鬻，滤求滚激透明p ”。2 0 世纪8 0 年代后期，利用硅藻对印染废水进行了 处理，结果表明；硅藻土经过4 5 0 c 干燥l h 后，在室温条件下加入废水中搅拌 l m i n ，c o d c r 都有较大幅度的降低 34 1 。在对含油废水的处理中，在1 l 废水中加 入2 9 硅藻土时，油的去除率达到9 8 ，硅藻土对油的吸附负载量为o 2 2 g ，可 见除油效果明显，浊度、氛度都明显降低1 3 5 l 。 予浅和包亚芳还报道，将礁藻土经过提纯、改性、活化、扩套制裁硅藻土污 水处理剂，分别对生活污水、苯酚废水、脂肪酸废水、屠宰废水、煤矿废水等进 行了处理，研究表明在技术上和经济上都是可行的，特别适用于污水后续的深度 处理“。张月华使用云南腾冲硅藻制作成硅藻土助滤翻，用来处瑾工韭含磷废 水、禽镉电镀废水、酱涟的灭蘩处理取嗥淫的过滤，实践证明硅藻助滤舞4 过滤 效果好，制备方法简单且经济可行【1 5 。利用硅藻土处理工业用水、游泳池水和各 种污水等的原理和方法基本相同，工艺流程见图1 1 。 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 碱藻土混合罐；2 ，搅拌器；3 一硅 藻土进料口；4 ，1 0 三通阀；5 离心 式水泵；6 , 8 一压力表；7 硅藻土过 滤机；9 波动转子流量计； 1 l ，1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 5 阀门：1 6 定量添加泵 图1 t 污水处理系统工艺流程 f i g 1 ，1p r o c e s sf l o w o f w a s t e w a t e r t r e a t m e n ts y s t e m 用硅藻土处理污水具有如下一些特点： ( 1 ) 利用其独特的徽孔结构的吸附和过滤性能_ 柬处理污水，原料来源广， 耱工成本低，吸辩效暴好； ( 2 ) 作为吸附剂特别适用于处理低浓度污染物的污水； ( 3 ) 能够吸附多种物质，包括肖机离子、无机离子及微生物等，且不产生 二次污染； ( 4 ) 吸附容量大，去除效率高： ( 5 ) 再生方法简单摄刹用率毫，吸骓沉淀下来的的重金属元素郊有机物等 能够再循环使用或回收利用； ( 6 ) 应用范围广，p h 值和温度条件范围宽，且具有良好的稳定性。 1 4 2 硅藻土处理污水的应用前景 目前国外对硅藻土在水处理中的研究主要以硅藻土助滤剂为主，广泛应用于 食品、饮料、水处理、石油化工、医药等许多行业和部1 3 t 1 4 。污水处理是一个很 大的应用领域，目前国内尚未育硅藻土的实际工业应用，但近年来已有入进行这 方弱的研究工作。 由于醚藻土性能稳定，吸附性能强，具有大的孔隙率和比表面积，加之大璧 微孔的存在和其原料廉价易得，是水处理吸附剂的良好原料。污水中的污染物成 分复杂，硅藻土除了可以去除污水中的重金属离子还可以有效的对重金属离子迸 8 东北大学硕士学位论文第一章绪论 行回收；此外，硅藻土还可以有效的去除污水中的微生物、藻类、无机物和有机 物等，所以用硅藻对污水进行处理，不仅具有理论意义，而且还有广泛的应用 前景。深入进行这方两的研究，穆会获褥较好的社会效益和经济效益，并在减轻 环境污染，保护水源，造福人类方面发挥照大作用。 1 5 本课题研究的主要内容 目前，虽然对硅藻土处理污水和废水的研究较多，但对于硅藻土对具体吸附 瘊豹吸附影响条传，以及硅藻作为吸附齑寸时的吸聪梳理并没有系统的研究。针 对这一情况，本课题以吉林长白硅藻土为吸附剂，对水相中不周的吸附质进行吸 附研究，探讨试验条件与吸附效果之间的关系，并对吸附机理进行了较为深入的 研究。具体内容如下： ( 1 ) 建立一套较为完熬的礁藻吸附水耀中吸附质的试验方法： ( 2 ) 进行礁藻士吸附水相中重金属离子的试验及吸附规律的研究：通过对 硅藻士吸附水相中重金属离子的系统试验研究，确定试验条件与吸附效果的关 系，从露找到最佳吸附条l 牛； ( 3 ) 进行硅藻土吸附水相中微生物的试验及吸附规律的研究：通过对硅藻 士吸附水相中微生物的试验条件的研究，最终找到最佳吸附条件； ( 4 ) 碴藻吸附帮对吸附藏的吸附枫理探讨。 9 东北大学硕士学位论文第二章试验研究设备、材料和分析方法 第二章试验研究设备、材料和分析方法 2 1 试验研究设备和仪器 为了研究硅藻土吸附剂对水相中吸附质的吸附效果，分别采用分光光度法和 重量法测定溶液中重金属离子和微生物的吸附效果。试验中所使用的设备和仪器 列于表2 ，l 中。 表2 1 试验用设备和仪器 t a b l e2 1e q u i p m e n t sa n di n s t r u m e n t si ne x p e r i m e n t 设备和仪器名称型号及主要参数 用途 型号：t g l 1 6 台式离速离心机露渡分离 转速：0 - 2 0 0 0 0 r r a i n 型号：8 5 。2 恒温磁力搅拌器磁力搅拌进翁吸附试验 转速：0 1 5 0 0 r m i n 分光光度计型号：7 2 2测定溶液吸光度、相对浓度 型号： z q - c 空气浴振荡器培养微生物 振荡速率：4 0 2 0 0 r m i n 手提式压力蒸汽灭菌器 捌号：y x q - s g 4 6 2 8 0 a 灭菌 精密酸度计型号：p h s - 3 c 测定p h 值 型号：b l l 5 0 电子天平称羹 精度：o 0 0 1 型号：t t - 9 8 i 电热蒸馏水器翻备蒸馏水 出水量：1 0 l h o u r 型号：w g 2 0 0 3 台式干燥箱干燥物品 温度范围：室温- 2 0 04 c 冰籍型号：b c d 1 0 3 c保藏菌种 高精度粒度分析仪 型号：s e d i g r a p h 5 1 0 0测量粒度 扫描电镜 型号：s u p e r s c a ns s x - 5 5 0观察矿物和微生物微观形态 2 2 试验研究材料 吸附剂( a d s o r b a n t ) 是能吸附气体和溶质的物质，而被吸附的那些气体和溶 质稚为吸附质( a d s o r b a t e ) 3 6 】。在本文的研究中，选择吉林长自硅藻土作为吸附 剂，羹金属离子( c u 2 + 、n i 2 + 、p b 2 + 、z n 2 “和微生物( 诺卡氏菌和啤酒酵母菌) 作为吸附质。 东北大学硕士学位论文 第二章试验研究设备、材料和分析方法 2 2 1 吸附剂材料 1 硅藻土的来源 一 我国硅藻土矿产分布广泛、品位不一，加之生产加工工艺的不同，都会造成 硅藻土结构及性溪的改变，所以对试验所用硅藻：豹选择1 分重要。本文选择的 硅藻土分别取自上海化学试nj - 生产的硅藻土精土、沈阳东宇集团所用的硅藻土 精士、吉林长白硅藻土精土。经初步试验测定，上海化学试剂厂生产的硅藻土精 土及沈匿东宇集团所用的臻藻土精土均力甏温加热处理后瓣助熔硅藻，谴藻土 的表聪及孔隙都有不同程度的损坏，所以不适宜做吸附剂。吉林长自硅藻土属干 燥品精土，硅藻土表面微孔清晰，孔道通畅清晰且无明显物相变化，适宜作为吸 附剂材料，敌选择吉林长彝硅藻土精主为本试验的吸附剂乖孝辩。 2 硅藻土豹化学成分分拆 缝检测，试验所用吉林长白硅藻土的化学成分见衷2 2 。 表2 2 吉林长白醚藻土化学戒势分析结果 t a b l e2 2c h e m i c a lc o m p o n e n t sa n a l y s i so f j i l i nc h a n g b a id i a t o r n i t e f化学组成s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 c a o m g o 其他1 | 露分含攘( ) 9 1 6 6l ，8 7o 8 60 1 8o 0 5 4 5 3 7 6 | 从化学成分的分析结果可以看出，吉林长白硅藻士s i 0 2 吉量达到9 1 6 6 耩一等品耪土( 一等品硅藻土s i 0 2 含量8 5 ) 。 2 2 2 吸附质材料 1 重余属离子的选择及配制 重金稻是指密度大于5 9 e r a 3 的金属【3 ”，在水相中通常以离子形式存在。重盒 属进入环境看不能被生物降解，盈往往参与食物链循环并最终在生物体内富集， 破坏生物体正常的新陈代谢，对人体的健康危害很大1 3 8 】。大多数重金属离子的毒 性与浓度和作用时间有关，浓度越大，作用时间越长，致毒后果愈严重。例如： 铅对人体的很多系统都会产生很高的毒性作用，对人体的神经、血液、消化、免 疫等系统均有毒害 乍媚，旦中毒，将会对人体全身各个系统造成不同程度的毒 害，尤其影响婴幼儿和儿黧的智力发育和记忆能力等脑功能；锌也是对人体具肖 毒性的一种重金属，入误食可溶性镩盐对消化邀黏膜有腐蚀作靥，过量的锌会引 起急性肠髯炎痤状，如恶心、呕吐、羧瘕等，同时伴有头晕、躅身无力；铜过量 存在人的i | 于脏和中枢神经系统中是有毒的，铜盐的毒性比铜还犬，1 0 9 的铜盐可 东j 大学硕士学位论文 第二章试验研究设备、材料和分拆方法 懿使入死亡。水中铜的含量超标对，可刺激胃肠道黏貘并使人驱吐，长期饮用含 铜较高的水可发生急性胃肠炎疾病【3 9 “”。 试验所选择研究的重金属离子为铜离子( c u 2 + ) 、镍离子( n i 2 + ) 、铅离子 ( p b 2 + ) 和锌离子( z n 2 + ) ，分别用分析纯的c u c l 2 、n i s 0 4 6 h 2 0 、p b f n 0 3 ) 2 、 z n s 0 4 7 h 2 0 药粼来配制试验溶液。溶液的配制过程为：罔天平准确称量要配制 的药品，将其倒入烧杯中用蒸馏水溶解，并用玻璃棒不断搅拌：待药品全部溶解 后，将溶液倒入洗净的容量瓶中，并将烧杯反复冲洗，冲洗后的溶液倒入容量瓶 中；然后向容量瓶中加入蒸馏水到刻度线，摇匀待雳。 2 微生物豹选择 微生物也是污水中的一种常见的污染物，本文所选用诺卡氏菌和啤酒酵母菌 作为吸附质材料。 试验中赝选姆豹诺卡氏蓉由中国秘学院微生物研究所菠种保存中心提供，代 号为4 1 1 2 6 。诺卡氏菌，原核生物界，细菌门，放线菌耳，诺卡氏菌科，诺卡氏 菌属。诺卡氏菌是革兰氏阳性好氧菌，直径一般为0 5 9 m l i x m ，形态为球状或秆 体状，在嚣药的瘟露中较为广泛【4 2 1 。 试验选用的另一种微生物为啤酒酵母菌，由沈阳雪花