电解锰渣基复合材料制备及对Cd2+的去除研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2025-0113

摘要/Abstract

摘要：

针对电解锰渣（EMR）资源化利用与含镉废水治理需求，通过酸浸-共沉淀法制备Ca-Fe-Mn复合材料（CFM），系统探究其对Cd²⁺的去除效能与机理。实验考察CFM投加量（0.2~1.5 g/L）、溶液初始pH（2.0~7.0）及反应温度（303~323 K）的影响规律，结合吸附动力学、等温模型拟合及X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等表征阐明Cd²⁺去除机制。结果表明：当CFM投加量为1.0 g/L时，出水Cd²⁺质量浓度降至0.1 mg/L以下，满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》的限值；在pH为3.0~7.0时，323 K时最大理论吸附量达129.96 mg/g，Cd²⁺去除率均>99%；吸附过程符合准二级动力学模型（R²>0.99）与Langmuir模型（R²>0.98），表明CFM去除Cd²⁺的过程为单层吸附且以化学吸附为主，整个吸附过程速率主要由表面扩散控制。表征结果证明Cd²⁺去除机制为表面沉淀、静电吸引、层间插层及类质同象取代协同作用。CFM复合材料兼具高效吸附性、宽pH适应性与稳定性，且制备工艺简便、成本低廉，为EMR资源化与重金属污染治理提供新途径。

关键词: 电解锰渣, 脱除Cd²⁺, 酸浸-共沉淀, Ca-Fe-Mn复合材料

Abstract:

In this study，Ca-Fe-Mn composite materials（CFM） were prepared by acid leaching-co-precipitation method for the resource utilisation of electrolytic manganese residue（EMR） and the treatment of cadmium-containing wastewater to systematically investigate the removal efficacy and mechanism of Cd²⁺.The effects of CFM dosage（0.2~1.5 g/L），initial pH（2.0~7.0） and reaction temperature（303~323 K） were investigated to elucidate the Cd²⁺ removal mechanism by combining with the adsorption kinetics，isothermal model fitting，and characterisation by X-ray diffractometer（XRD） and scanning electron microscope（SEM）.The results showed that the Cd²⁺ concentration in the effluent was reduced to below 0.1 mg/L when the dosage of CFM was 1.0 g/L，which met the limit value of “Comprehensive Wastewater Discharge Standard”（GB 8978—1996）.The maximum theoretical adsorption capacity of 129.96 mg/g was achieved at 323 K in a wide range of pH 3.0~7.0，and the Cd²⁺ removal rate was >99%.The adsorption process was conformed to the quasi-secondary kinetic model（R²>0.99） and Langmuir model （R²>0.98），which indicated that the removal of Cd²⁺ by CFM was a monolayer adsorption with chemisorption as the main method，and the rate of the whole adsorption process was mainly controlled by surface diffusion.The characterisation results demonstrated that the Cd²⁺ removal mechanism was a synergistic effect of surface precipitation，electrostatic attraction，interlayer intercalation and homogeneous substitution.The material combined high adsorption efficiency，wide pH adaptability and stability，and the process was simple and low cost，which provided a new way for EMR resourcefulness and heavy metal pollution control.

Key words: electrolytic manganese residue, removal Cd²⁺, acid leaching-co-precipitation, Ca-Fe-Mn composite materials

中图分类号:

TQ137.1

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参考文献 39

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质量浓度/ （mg·L^-1）	准一级动力学模型			准二级动力学模型			Elovich模型
质量浓度/ （mg·L^-1）	q_e/ （mg·g^-1）	k₁/ h^-1	R²	q_e/ （mg·g^-1）	k₂/ （g·mg^-1·h^-1）	R²	β/ （mg·g^-1）	α/ （mg·g^-1·min^-1）	R²
25	2.28	1.42	0.684 9	25.48	6.40	1.000 0	0.39	3.07	0.811 4
50	16.56	1.21	0.829 1	55.04	0.47	0.999 9	0.14	10.31	0.935 4
75	50.48	1.24	0.945 5	68.12	0.12	0.999 8	0.10	22.74	0.966 0

质量浓度/ （mg·L^-1）	表面扩散阶段			孔扩散阶段			平衡阶段
质量浓度/ （mg·L^-1）	q_t / （mg·g^-1）	k_p，1/ （mg·g^-1·min^-1/2）	R²	q_t / （mg·g^-1）	k_p，2/ （mg·g^-1·min^-1/2）	R²	C/ （mg·g^-1）	k_p，3/ （mg·g^-1·min^-1/2）	R²
25	60.56	0.34	0.843 6	20.55	4.83	0.977 9	3.45	8.65	0.991 0
50	53.41	0.07	0.890 9	30.87	2.88	0.976 4	8.97	7.57	0.997 6
75	25.34	0.01	0.929 8	24.67	0.10	0.636 0	5.07	5.98	0.968 6

温度/ K	Langmuir			Freundlich			DRK			Temkin
温度/ K	q_e/ （mg·g^-1）	K_L/ （L·mg^-1）	R²	1/n	K_F/［（mg·g^-1）· （L·mg^-1）^1/ⁿ ］	R²	E	q_m/ （mg·g^-1）	R²	B₁	K_t / （L·mol^-1）	R²
303	109.20	0.96	0.852 5	0.22	48.32	0.959 9	2 761.67	77.03	0.973 6	54.36	1.31	0.952 1
313	113.05	5.99	0.939 6	0.14	69.44	0.885 3	4 506.94	111.85	0.999 6	73.60	1.18	0.931 1
323	129.96	9.77	0.989 1	0.12	87.10	0.745 2	5 918.22	123.98	0.971 9	92.57	1.20	0.936 6

不同材料	最大吸附量/ （mg·g^-1）	实验条件
Fe₃O₄-FeMoS₄^［25］	140.50	pH=5
Mg-Al LDHs^［26］	69.11	pH=5~6
Mg/Al-LDHs^［27］	24.34	pH=3~7
E-Mg/Al-LDH BC^［28］	125.23	pH=5，298 K
FMBC^［29］	95.23	pH=5，298 K
CFM	129.96	pH=3.0~7.0，323 K

温度/ K	ΔG/ （kJ·mol^-1）	ΔH/ （kJ·mol^-1）	ΔS/ （kJ·mol^-1·K^-1）	R²
293	-8.57	85.42	0.32	0.95
303	-11.78
313	-14.98
323	-18.19

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