第1章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 重金属的危害
重金属在工业时代之前广泛存在于自然界中，人类进入工业时代之后，开始了对矿产大规模的开采、冶炼，使得铅、铬、汞、镉、钴等重金属进入人类的商业活动中。这些重金属在自然界难以自行降解，以各种形式存留、积累和迁移，从而带来严重的环境污染问题。
当重金属进入土壤，使得土壤中重金属含量明显高于自然背景值时，造成土壤重金属污染。重金属进入土壤的方式有很多种，例如在农业生产中大量使用农药、使用污水灌溉农田以及大气沉降等。土壤重金属污染的危害很大，会引起土壤的组成、结构和功能变化，进而影响植物生长及土壤生物群的变化，会使许多细菌的繁殖受到抑制，影响到微生物对有机物的化学降解。重金属在土壤中不易被微生物分解，通过生物富集作用，进入到动物以及人体内，危害人体健康。
重金属离子被排放到水体中时，会对水中的生物造成严重污染。机械加工厂、矿山开采、钢铁厂、化工厂的排放以及过度使用化肥，会导致很多重金属进入水中。青海湖也受到重金属的污染，污染的原因是多方面的。这些重金属在水体中不能被生物降解，只能被转移、稀释、积累，对水体中的生物造成很大的危害，被排入水体中的重金属会被水生植物或微生物吸收，一些以此为食的鱼虾在体内被富集，重金属又会进一步富集到以鱼虾为食的动物体内，因重金属不易被排出体外，会在生物体内一级一级富集，危害也越来越大，最终可能进入人体内。我国水资源日益短缺，人口的增加对淡水的需求量不断增加，水体的污染更加重了水资源的有效利用。
大气中的重金属来自于工业生产、汽车尾气以及粉尘。其中工业生产和汽车尾气是很严重的大气污染源。大气中的重金属通过自然沉降和雨水淋溶的方式进入到土壤和水体中，造成交叉污染。植物通过光合作用吸收大气中的重金属，使得其在植物体内富集。大气颗粒物中的重金属可通过呼吸作用进入到动物和人体内，对身体造成非常大损害。在重金属在环境中的迁移转化过程中对生物有机体的生理生态影响的研究方面还需进一步深入研究。
1.2 膨润土与硅藻土的概述
1.2.1 膨润土的简介
膨润土(Bnetonite)是一种超高分子量硅铝酸盐矿物，由二氧化硅和三氧化铝组成的蒙脱石是其主要成分。膨润土层状结构中存在 Cu、Mg、Na 等阳离子，在处理重金属废水时，会与废水中的阳离子发生离子交换反应，将废水中的重金属去除，具有较大的比表面积，对重金属的吸附性能也较好。
1.2.2 硅藻土的简介
硅藻土是一种硅质岩石，主要由古代硅藻的遗骸所组成，硅藻土的主要成分是二氧化硅。硅藻土的羟基带正电荷的重金属离子的吸引能力很强，因此增大了硅藻土对重金属的吸附性能。膨润土由两个硅氧四面体和一个铝（镁）氧（氢氧）八面体构成，其结构中的高价金属离子通过同晶替代作用，可被低价的金属离子置换，会使得膨润土结构中的硅氧四面体或铝氧八面体层带负电，因此对废水中带正电的重金属有很好的吸附作用。
第2章 改性膨润土的制备
2.1 试验材料和仪器
2.1.1 试验材料
膨润土与硅藻土均采购自巩义市宝来水处理材料厂。
2.1.2 试验药品及试剂
试验所用药品及试剂如表2-1所示：
2.1.3 试验仪器
试验器皿：150mL锥形瓶，100mL塑料透明样品瓶，1L容量瓶，100mL量筒，移液管，100mL烧杯等。
试验中所使用的仪器设备如表 2-2所示：
2.2 改性膨润土（硅藻土）的制备方法
2.2.1 锰改性膨润土（硅藻土）的制备
根据文献锰改性硅藻土的方法，采用一定浓度的氢氧化钠溶液和氯化锰溶液分步搅拌处理硅藻土，本文为了便于工程的应用，将改性方法进行了一定的改进。具体方法如下：在烧杯中配制 4mol/L氢氧化钠溶液，将30g膨润土（硅藻土）加入烧杯中，使用磁力搅拌器进行搅拌，搅拌时间为1h。将浓度为2.0mol/L氯化锰溶液倒入，继续搅拌 1h，然后静置12h，弃去上清液，用水冲洗至pH为8以下，烘干。
膨润土与硅藻土与锰氧化物具有较强作用，形成了稳定的改性吸附剂，在吸附过程中锰离子的溶出浓度小。在弱碱条件下的溶出浓度小于弱酸条件下，浓度均未超过0.2mg/L，不会造成二次污染。
2.2.2 聚丙烯酸钠(PAASS)改性膨润土（硅藻土）
首先称取8.0g膨润土（硅藻土），配制一定浓度的聚丙烯酸钠溶液，将固体和液体倒入三口烧瓶中，搅匀，在 90℃的恒温水浴锅中反应，继续搅拌至溶液中变粘稠并聚合凝固，保持恒温 1~2h，反应一段时间后，取出反应产物，反应产物110℃干燥至恒重，研磨，过200目筛，即得聚丙烯酸钠复合膨润土（硅藻土）。
2.2.3 聚丙烯酰胺(PAM)改性膨润土（硅藻土）
取50mL浓度为20g/L的聚丙烯酰胺溶液，放入烧杯中，向烧杯中滴加1mol/L的NaOH溶液数滴，混匀，继续向烧杯中加入 25g膨润土（硅藻土），将烧杯置于恒温水浴中升温至50℃，继续搅拌至溶液中变粘稠并聚合凝固，保持恒温1~2h，取出反应产物，反应产物 110℃干燥至恒重，研磨，过200目筛，即得聚丙烯酸钠复合膨润土（硅藻土）。
第 3 章 锰改性膨润土对铅镉离子的吸附研究..............19
3.1 锰改性膨润土对铅离子的吸附研究.................19
3.1.1 锰改性膨润土投加量对铅离子去除效果的影响.................19
第 4 章 锰改性膨润土深度处理重金属废水的应用研究..................34
4.1 工程概述 ....................34
4.2 工艺流程的确定...................34
第4章 锰改性膨润土深度处理重金属废水的应用研究
根据第3章的试验结果，原水中Pb2+的初始浓度为1.0mg/L，Cd2+的初始浓度为0.5mg/L，最佳工艺参数：初始溶液pH为8，锰改性膨润土投加量为20mg/L，吸附反应时间为 40min，混凝剂 PAC 投加量为 60mg/L 时，Pb2+的平衡浓度为0.048mg/L，Cd2+的平衡浓度为 0.0046mg/L，达到地表水质量的 III 类标准。将锰改性膨润土用于深度处理某有色金属开采矿井水，并对该工程进行初步设计和技术经济评价。
4.1 工程概述
某有色金属选矿厂采用浮-重-浮联合工艺流程选矿，矿石选别设计采用“重—浮—重”流程：矿石经棒磨磨至3毫米后，通过跳汰粗选，得到粗精矿和中矿，摇床扫选丢掉一部分尾矿；粗精矿经棒磨后进入富系统全浮选，中矿经棒磨后与细泥合并进入贫系统全浮选。尾矿浆进尾矿库沉淀澄清后部分回用，其余排入地表水体。目前的主要问题是尾矿库排放的溢流水铅镉超过国家地表水环境类Ⅲ标准，排放到地表水体后，造成地表水体水质重金属负荷加重。要求尾矿库排水达到地表水Ⅲ类水体标准。
结论
1 结论
(1) 试验选用在 MnCl2、聚丙烯酰胺(PAM)、聚丙烯酸钠(PAASS)和PAM-EDTA改性膨润土中，用 MnCl2改性的膨润土处理含 Pb2+、Cd2+的废水，其中锰改性膨润土的处理效果最佳。
(2) 锰改性膨润土吸附废水中的铅离子，吸附剂的投加量、初始溶液的 pH 值、混凝剂 PAC 的投加量以及吸附反应时间都将影响到试验结果。当原水中 Pb2+的浓度为1.0mg/L，锰改性膨润土投加量为20mg/L，初始溶液pH为6，吸附反应时间为 40min，混凝剂 PAC 投加量为 60mg/L 时，处理后的废水中的平衡浓度浓度为0.042mg/L，对铅的吸附效率达到 95.8%，达到地表水质量的 III 类标准。
(3) 采用锰改性膨润土去吸附废水中的镉离子，初始溶液 pH 为 8，锰改性膨润土投加量为20mg/L，吸附反应时间为40min，混凝剂PAC投加量为60mg/L时，废水中的镉的平衡浓度浓度由原来的 0.5mg/L 降为为 0.0033mg/L，对 Cd2+的吸附效率达到96.7%，达到地表水质量的III 类标准。
(4) 原水中 Pb2+的初始浓度为1.0mg/L，Cd2+的初始浓度为0.5mg/L，最佳工艺参数：初始溶液pH为8，锰改性膨润土投加量为20mg/L，吸附反应时间为40min，混凝剂 PAC 投加量为 60mg/L 时，Pb2+的平衡浓度为 0.048mg/L，Cd2+的平衡浓度为0.0046mg/L，达到地表水质量的III 类标准。当Pb2+和Cd2+混合时，存在吸附竞争。Pb2+的吸附效率平均下降 2.39%，Cd2+的吸附效率平均下降 3.87%。Pb2+的吸附竞争能力略大于Cd2+。
(5) 锰改性膨润土处理有色开采矿井水工艺，废水经过调节池、机械混合池、机械搅拌澄清池以及滤池，处理后出水中的铅镉含量达到地表水质量的Ⅲ类标准。污泥经过浓缩、脱水，最后被送到尾矿库。采用锰改性膨润土吸附有色开采矿井水，以处理量为400m3/h的某工程为例进行投资估算，共程总投资共计1049.4万元；运行费用为0.35元/m3；此项目年收益可达423.2万元，成本回收期约2.5年，具有较高的经济效益、社会效益以及环境效益。
参考文献（略）
1.1 研究背景
1.1.1 重金属的危害
重金属在工业时代之前广泛存在于自然界中，人类进入工业时代之后，开始了对矿产大规模的开采、冶炼，使得铅、铬、汞、镉、钴等重金属进入人类的商业活动中。这些重金属在自然界难以自行降解，以各种形式存留、积累和迁移，从而带来严重的环境污染问题。
当重金属进入土壤，使得土壤中重金属含量明显高于自然背景值时，造成土壤重金属污染。重金属进入土壤的方式有很多种，例如在农业生产中大量使用农药、使用污水灌溉农田以及大气沉降等。土壤重金属污染的危害很大，会引起土壤的组成、结构和功能变化，进而影响植物生长及土壤生物群的变化，会使许多细菌的繁殖受到抑制，影响到微生物对有机物的化学降解。重金属在土壤中不易被微生物分解，通过生物富集作用，进入到动物以及人体内，危害人体健康。
重金属离子被排放到水体中时，会对水中的生物造成严重污染。机械加工厂、矿山开采、钢铁厂、化工厂的排放以及过度使用化肥，会导致很多重金属进入水中。青海湖也受到重金属的污染，污染的原因是多方面的。这些重金属在水体中不能被生物降解，只能被转移、稀释、积累，对水体中的生物造成很大的危害，被排入水体中的重金属会被水生植物或微生物吸收，一些以此为食的鱼虾在体内被富集，重金属又会进一步富集到以鱼虾为食的动物体内，因重金属不易被排出体外，会在生物体内一级一级富集，危害也越来越大，最终可能进入人体内。我国水资源日益短缺，人口的增加对淡水的需求量不断增加，水体的污染更加重了水资源的有效利用。
大气中的重金属来自于工业生产、汽车尾气以及粉尘。其中工业生产和汽车尾气是很严重的大气污染源。大气中的重金属通过自然沉降和雨水淋溶的方式进入到土壤和水体中，造成交叉污染。植物通过光合作用吸收大气中的重金属，使得其在植物体内富集。大气颗粒物中的重金属可通过呼吸作用进入到动物和人体内，对身体造成非常大损害。在重金属在环境中的迁移转化过程中对生物有机体的生理生态影响的研究方面还需进一步深入研究。
1.2 膨润土与硅藻土的概述
1.2.1 膨润土的简介
膨润土(Bnetonite)是一种超高分子量硅铝酸盐矿物，由二氧化硅和三氧化铝组成的蒙脱石是其主要成分。膨润土层状结构中存在 Cu、Mg、Na 等阳离子，在处理重金属废水时，会与废水中的阳离子发生离子交换反应，将废水中的重金属去除，具有较大的比表面积，对重金属的吸附性能也较好。
1.2.2 硅藻土的简介
硅藻土是一种硅质岩石，主要由古代硅藻的遗骸所组成，硅藻土的主要成分是二氧化硅。硅藻土的羟基带正电荷的重金属离子的吸引能力很强，因此增大了硅藻土对重金属的吸附性能。膨润土由两个硅氧四面体和一个铝（镁）氧（氢氧）八面体构成，其结构中的高价金属离子通过同晶替代作用，可被低价的金属离子置换，会使得膨润土结构中的硅氧四面体或铝氧八面体层带负电，因此对废水中带正电的重金属有很好的吸附作用。
第2章 改性膨润土的制备
2.1 试验材料和仪器
2.1.1 试验材料
膨润土与硅藻土均采购自巩义市宝来水处理材料厂。
2.1.2 试验药品及试剂
试验所用药品及试剂如表2-1所示：
2.1.3 试验仪器
试验器皿：150mL锥形瓶，100mL塑料透明样品瓶，1L容量瓶，100mL量筒，移液管，100mL烧杯等。
试验中所使用的仪器设备如表 2-2所示：
2.2 改性膨润土（硅藻土）的制备方法
2.2.1 锰改性膨润土（硅藻土）的制备
根据文献锰改性硅藻土的方法，采用一定浓度的氢氧化钠溶液和氯化锰溶液分步搅拌处理硅藻土，本文为了便于工程的应用，将改性方法进行了一定的改进。具体方法如下：在烧杯中配制 4mol/L氢氧化钠溶液，将30g膨润土（硅藻土）加入烧杯中，使用磁力搅拌器进行搅拌，搅拌时间为1h。将浓度为2.0mol/L氯化锰溶液倒入，继续搅拌 1h，然后静置12h，弃去上清液，用水冲洗至pH为8以下，烘干。
膨润土与硅藻土与锰氧化物具有较强作用，形成了稳定的改性吸附剂，在吸附过程中锰离子的溶出浓度小。在弱碱条件下的溶出浓度小于弱酸条件下，浓度均未超过0.2mg/L，不会造成二次污染。
2.2.2 聚丙烯酸钠(PAASS)改性膨润土（硅藻土）
首先称取8.0g膨润土（硅藻土），配制一定浓度的聚丙烯酸钠溶液，将固体和液体倒入三口烧瓶中，搅匀，在 90℃的恒温水浴锅中反应，继续搅拌至溶液中变粘稠并聚合凝固，保持恒温 1~2h，反应一段时间后，取出反应产物，反应产物110℃干燥至恒重，研磨，过200目筛，即得聚丙烯酸钠复合膨润土（硅藻土）。
2.2.3 聚丙烯酰胺(PAM)改性膨润土（硅藻土）
取50mL浓度为20g/L的聚丙烯酰胺溶液，放入烧杯中，向烧杯中滴加1mol/L的NaOH溶液数滴，混匀，继续向烧杯中加入 25g膨润土（硅藻土），将烧杯置于恒温水浴中升温至50℃，继续搅拌至溶液中变粘稠并聚合凝固，保持恒温1~2h，取出反应产物，反应产物 110℃干燥至恒重，研磨，过200目筛，即得聚丙烯酸钠复合膨润土（硅藻土）。
第 3 章 锰改性膨润土对铅镉离子的吸附研究..............19
3.1 锰改性膨润土对铅离子的吸附研究.................19
3.1.1 锰改性膨润土投加量对铅离子去除效果的影响.................19
第 4 章 锰改性膨润土深度处理重金属废水的应用研究..................34
4.1 工程概述 ....................34
4.2 工艺流程的确定...................34
第4章 锰改性膨润土深度处理重金属废水的应用研究
根据第3章的试验结果，原水中Pb2+的初始浓度为1.0mg/L，Cd2+的初始浓度为0.5mg/L，最佳工艺参数：初始溶液pH为8，锰改性膨润土投加量为20mg/L，吸附反应时间为 40min，混凝剂 PAC 投加量为 60mg/L 时，Pb2+的平衡浓度为0.048mg/L，Cd2+的平衡浓度为 0.0046mg/L，达到地表水质量的 III 类标准。将锰改性膨润土用于深度处理某有色金属开采矿井水，并对该工程进行初步设计和技术经济评价。
4.1 工程概述
某有色金属选矿厂采用浮-重-浮联合工艺流程选矿，矿石选别设计采用“重—浮—重”流程：矿石经棒磨磨至3毫米后，通过跳汰粗选，得到粗精矿和中矿，摇床扫选丢掉一部分尾矿；粗精矿经棒磨后进入富系统全浮选，中矿经棒磨后与细泥合并进入贫系统全浮选。尾矿浆进尾矿库沉淀澄清后部分回用，其余排入地表水体。目前的主要问题是尾矿库排放的溢流水铅镉超过国家地表水环境类Ⅲ标准，排放到地表水体后，造成地表水体水质重金属负荷加重。要求尾矿库排水达到地表水Ⅲ类水体标准。
结论
1 结论
(1) 试验选用在 MnCl2、聚丙烯酰胺(PAM)、聚丙烯酸钠(PAASS)和PAM-EDTA改性膨润土中，用 MnCl2改性的膨润土处理含 Pb2+、Cd2+的废水，其中锰改性膨润土的处理效果最佳。
(2) 锰改性膨润土吸附废水中的铅离子，吸附剂的投加量、初始溶液的 pH 值、混凝剂 PAC 的投加量以及吸附反应时间都将影响到试验结果。当原水中 Pb2+的浓度为1.0mg/L，锰改性膨润土投加量为20mg/L，初始溶液pH为6，吸附反应时间为 40min，混凝剂 PAC 投加量为 60mg/L 时，处理后的废水中的平衡浓度浓度为0.042mg/L，对铅的吸附效率达到 95.8%，达到地表水质量的 III 类标准。
(3) 采用锰改性膨润土去吸附废水中的镉离子，初始溶液 pH 为 8，锰改性膨润土投加量为20mg/L，吸附反应时间为40min，混凝剂PAC投加量为60mg/L时，废水中的镉的平衡浓度浓度由原来的 0.5mg/L 降为为 0.0033mg/L，对 Cd2+的吸附效率达到96.7%，达到地表水质量的III 类标准。
(4) 原水中 Pb2+的初始浓度为1.0mg/L，Cd2+的初始浓度为0.5mg/L，最佳工艺参数：初始溶液pH为8，锰改性膨润土投加量为20mg/L，吸附反应时间为40min，混凝剂 PAC 投加量为 60mg/L 时，Pb2+的平衡浓度为 0.048mg/L，Cd2+的平衡浓度为0.0046mg/L，达到地表水质量的III 类标准。当Pb2+和Cd2+混合时，存在吸附竞争。Pb2+的吸附效率平均下降 2.39%，Cd2+的吸附效率平均下降 3.87%。Pb2+的吸附竞争能力略大于Cd2+。
(5) 锰改性膨润土处理有色开采矿井水工艺，废水经过调节池、机械混合池、机械搅拌澄清池以及滤池，处理后出水中的铅镉含量达到地表水质量的Ⅲ类标准。污泥经过浓缩、脱水，最后被送到尾矿库。采用锰改性膨润土吸附有色开采矿井水，以处理量为400m3/h的某工程为例进行投资估算，共程总投资共计1049.4万元；运行费用为0.35元/m3；此项目年收益可达423.2万元，成本回收期约2.5年，具有较高的经济效益、社会效益以及环境效益。
参考文献（略）
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