西安西热水务环保刘亚鹏：层状双金属氢氧化物去除废水中重金属的研究

文章来源： 《工业水处理》2023年第3期

第一作者 ：刘亚鹏

通讯作者 ：赵晓丹

合作单位 ：上海电力大学环境与化学工程学院；锡林郭勒热电有限责任公司；北方联合电力有限责任公司

层状双金属氢氧化物（Layered double hydroxides，LDHs）因其固有的结构特性和较大的比表面积而在污染物吸附领域展现出很大的应用潜力。

针对燃煤电厂脱硫废水重金属稳定达标排放问题，采用模拟废水研究了LDHs对重金属的去除效果和去除机理。采用共沉淀法制备了2种LDHs重金属吸附剂，弗里德尔盐（Fs）和钙矾石（Ett），探究了其投加量、废水初始pH和废水中存在的干扰离子对重金属去除效果的影响，并通过吸附动力学对吸附剂的吸附性能进行了评价，阐释了LDHs对重金属吸附的内在机制和机理，为脱硫废水中重金属的去除提供了新思路。

结果表明：LDHs吸附剂由于其特殊的分子结构可有效吸附重金属离子。当Ett和Fs投加质量浓度分别为0.15、0.07 g/L时，模拟废水中Zn（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）、Cr（Ⅵ）的去除率均可达90%以上；废水初始pH会影响LDHs对重金属的吸附效果。当废水初始pH＞5.0时，重金属去除率较为理想，均在80%以上，最佳pH为9.0；Ett可通过表面沉淀和同构取代实现对重金属阳离子的快速吸附，通过表面吸附和层间离子交换实现对重金属阴离子的高效去除；模拟废水中的共存离子对LDHs去除重金属存在干扰，但增加吸附剂投加量，废水中重金属残余量均能满足DL/T 997—2006排放标准。因此，LDHs在脱硫废水重金属吸附领域具有广阔的应用前景。

通常脱硫废水含有较高浓度的Ca ²⁺ 、Mg ²⁺ 等阳离子和Cl ^- 、SO ₄ ^2- 等阴离子，会严重干扰重金属的去除，而对于高盐环境条件下低含量重金属废水处理的研究尚未见报道。本研究针对脱硫废水水质特点，制备LDHs，采用模拟废水进行实验，为实际工程中脱硫废水重金属的去除提供了新思路。此外LDHs制备过程简单、成本较低，使其在实际工程中具有较高的可行性和应用价值。

针对燃煤电厂石灰石-石膏法湿法脱硫技术产生的大量脱硫废水，主要采用以传统“三联箱”工艺实现废水中重金属及其其他污染物的去除。然而该方法针对不同重金属需添加多种化学药剂分步去除，往往会引入新的污染物（如硫化物）。

近年来，大量研究表明，层状双金属氢氧化物（Layered double hydroxides，LDHs）因其固有的结构特性和较大的比表面积而在污染物吸附领域展现出很大的应用潜力。脱硫废水中通常含有较高浓度的Ca ²⁺ 、Mg ²⁺ 等阳离子和Cl ^- 、SO ₄ ^2- 等阴离子，会严重干扰重金属的去除，而对于高盐环境条件下低含量重金属废水处理的研究尚未见报道。

基于此，本研究针对脱硫废水水质特点，采用共沉淀法制备了Cl-插层的LDHs吸附剂弗里德尔盐（Friedel’s salt，Fs）和SO ₄ ^2- 插层的LDHs吸附剂钙矾石（Ettringite，Ett），探究了各吸附剂投加量、废水初始pH和废水中存在的干扰离子对重金属去除效果的影响，并通过吸附动力学对吸附剂的吸附性能进行了评价，阐释了LDHs对重金属吸附的内在机制和机理，为脱硫废水中重金属的去除提供了新思路。

结果表明：

（1）LDHs吸附剂由于其特殊的分子结构可有效吸附重金属离子。实验条件下向质量浓度分别为2.5、0.5、2、2.5 mg/L的Zn（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）、Cr（Ⅵ）的模拟废水分别投加质量浓度为0.15、0.07 g/L的Ett和Fs时，各重金属离子去除率均可达90%以上。

（2）废水初始pH会影响LDHs对重金属的吸附效果，酸性条件不利于LDHs对重金属的吸附，但是由于LDHs碱性较强，对废水的酸性具有一定的中和作用，因此当废水初始pH＞5.0时，实验条件下LDHs对重金属去除即可保持在较理想水平，去除率均在80%以上。

（3）Ett对各重金属离子的吸附行为遵循准二级反应动力学规律，通过多机理协同作用去除重金属。重金属阳离子可通过表面沉淀和同构取代被快速吸附，重金属阴离子则可通过表面吸附和层间离子交换被高效去除。

（4）模拟脱硫废水中SO ₄ ^2- 、Cl ^- 、Ca ²⁺ 、Mg ²⁺ 大量存在时，对LDHs去除重金属存在干扰，但增加吸附剂投加量，可使废水中残余重金属满足DL/T 997-2006排放标准。因此，LDHs在脱硫废水重金属吸附领域具有广阔的应用前景。