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采用3-巯基丙基三甲氧基硅烷和半胱胺盐酸盐在天然斜发沸石表面自组装巯基进行改性,制得巯基功能化沸石和巯基改性沸石,其中巯基功能化沸石为首次制备,显著提高了对汞的吸附能力。研究了三种沸石吸附汞的特性,考察了吸附剂用量、pH值、温度、Hg2+浓度和吸附时间对三种沸石样品吸附Hg2+的影响,测定了巯基含量,并进一步研究了吸附机理。同时探讨了三种沸石样品作稳定化剂固化/稳定化含汞危险废物的影响因素和最佳操作条件。并在最佳操作条件下成功固化/稳定化实际含汞废弃物。结果表明沸石经过改性引入巯基以后,吸附汞的能力显著提高;三种沸石作稳定化剂能够显著降低危险废物中汞的浸出性。
1)随着吸附剂用量的增加,三种沸石样品对Hg2+的吸附率都逐渐增加。pH能够影响三种沸石样品对汞的吸附过程,并且对天然沸石的影响大于两种巯基沸石。温度升高会降低天然沸石对汞的吸附,提高巯基功能化沸石对汞的吸附,对巯基改性沸石吸附Hg2+影响不显著。
2)天然沸石对Hg2+的吸附容量Qmax为8.06 mg·g-1,巯基改性沸石的Qmax为19.88mg·g-1,巯基功能化沸石Qmax为87.72 mg·g-1,两种巯基沸石对汞的吸附能力比天然沸石分别提高了1.5和近10倍。天然沸石和巯基改性沸石吸附汞的等温线与Langmuir方程拟合程度最高,巯基功能化沸石与Freundlich方程拟合程度最高。三种沸石样品吸附汞的过程均以较快的速率进行,天然沸石在吸附时间为1 h、巯基改性沸石在0.5 h、巯基功能化沸石在3 h时基本达到吸附平衡(吸附量达到最大值的90%以上)。
3)巯基功能化沸石的巯基含量为1.91±0.01%,巯基改性沸石为0.10±0.01%。巯基功能化沸石具有较高的巯基含量同时具有很强的汞吸附能力,表明其对汞的吸附机制主要是基于表面巯基与汞的反应。巯基改性沸石吸附汞的过程受到巯基与汞反应的影响。
4)沸石样品的掺入能够促进汞的稳定,与单独使用水泥相比稳定化效率显著提高。当天然沸石用量为0.3 g·g-1以上时,巯基改性沸石用量为0.1 g·g-1时,固化含汞300 mg·kg-1危险废物,固化体浸出汞浓度低于国家标准规定的0.1 mg·L-1,稳定化效率从单独使用水泥固化时的47%提高到95%以上。巯基功能化沸石用量为0.02 g·g-1时,固化含汞1000 mg·kg-1危险废物,固化体TCLP(Toxicity Characteristic Leaching Procedure,TCLP)汞浓度低于US EPA规定的0.2 mg·L-1,稳定化效率从单独使用水泥固化时的25%左右提高到98%以上。
5)pH能够显著影响三种沸石样品对汞的稳定化作用,稳定化后滤液中汞浓度和固化体浸出汞浓度都随pH值变化而变化。阴离子如氯离子和磷酸根离子能够影响三种沸石样品作稳定化剂的固化过程,但是沸石作为稳定化剂对汞的固化效果仍然很好,尤其是在氯离子浓度为1 mmol·L-1时,几乎没有影响;而在氯离子浓度为10 mmol·L-1时,稳定化效率有所降低,但天然沸石作稳定化剂固化含汞300 mg·kg-1模拟废物稳定化效率仍大于90%,巯基改性沸石作稳定化剂达到98%以上。氯离子和磷酸根离子存在下巯基功能化沸石作稳定化剂固化含汞1000mg·kg-1的废弃物的稳定化效率都达到99%以上。
6)三种沸石样品作稳定化剂固化含汞危险废弃物的最佳操作条件:天然沸石作稳定化剂,pH为6.0~7.0,沸石量为0.4 g·g-1,水泥量为0.7 g·g-1以上;巯基改性沸石作稳定化剂,pH为6.0,沸石量为0.2~0.3 g·g-1,水泥量为1.0 g·g-1;巯基功能化沸石作稳定化剂,pH为5.0,沸石量为0.05 g·g-1,水泥量为0.7 g·g-1以上。
7)三种沸石作稳定化剂能够显著降低实际样品中汞的浸出性,减弱其迁移能力。利用三种沸石作稳定化剂固化四种实际样品,含汞420和651 mg·kg-1的污泥以及含汞104 mg·kg-1的矿渣固化体浸出汞浓度都低于国家标准规定限值。固化/稳定化处理含汞1600 mg·kg-1污泥时,只有巯基功能化沸石作稳定化剂的固化体浸出汞达到了安全标准。