粉煤灰控失肥的制備及其銨氮溶出特性的評價(jià)

鐘書華，何 瑜，李 玲，宋功武，沙淮麗

(1.湖北大學(xué) 有機(jī)功能分子合成與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430062；2.武漢諾唯凱生物材料有限公司，湖北 武漢 430062)

粉煤灰是煤或煤粉燃燒后的細(xì)粒分散狀殘余物，具有一定的吸附性，主要產(chǎn)生于電廠的煤粉爐以及沸騰爐[1]。粉煤灰是我國當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加，給我國的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)及生態(tài)環(huán)境造成巨大的壓力。如何綜合利用粉煤灰，是電力生產(chǎn)企業(yè)急待解決的任務(wù)之一。

控失肥作為一種新型肥料，由于具有較強(qiáng)的控制養(yǎng)分流失的能力，能將肥料養(yǎng)分有效地固定在土壤中，不僅可減少化肥用量，而且可以大幅提高肥料利用率，同時(shí)減輕了銨氮揮發(fā)所造成的溫室效應(yīng)，還解決了營養(yǎng)元素流失帶來的農(nóng)業(yè)污染的問題[2]。因此，研究發(fā)展控失肥具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

由于粉煤灰含有多孔玻璃體、多孔炭粒，呈多孔性蜂窩狀組織結(jié)構(gòu)，比表面積較大，同時(shí)還具有活性基團(tuán)、吸附活性高[3]，可通過加熱改性、堿改性、酸改性、含A13+或Fe2+等離子的溶液改性等方法提高其利用附加值[4]，其中制備粉煤灰控失肥是一條可行的途徑。以粉煤灰為原料制備控失肥，不僅可以實(shí)現(xiàn)對廢物的綜合利用，還具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。作者在此以粉煤灰為原料，通過一系列改性工藝制備化肥控失劑，將控失劑和化肥按一定比例混合造粒，制得粉煤灰控失肥，并對該控失肥的銨氮溶出特性進(jìn)行了評價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

粉煤灰，發(fā)電廠。

所有試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

X19233型箱式電阻爐，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；Twd-T型調(diào)溫磁力攪拌器，武漢科學(xué)儀器設(shè)備有限公司；UV-2300型紫外可見分光光度儀，上海天美科學(xué)儀器有限公司。

1.2 粉煤灰控失肥的制備流程(圖1)

用粉煤灰制備粉煤灰控失肥的工藝流程見圖1。

圖1 制備流程示意圖

其具體流程如下：

(1)預(yù)處理：粉煤灰過200目篩，磁選除鐵。

(2)焙燒：配料在馬弗爐中850 ℃下焙燒2～3 h。

(3)酸化：在攪拌條件下，將焙燒后的粉煤灰投入到2 mol·L-1的鹽酸溶液中，升溫至70 ℃，恒溫2 h。

(4)混合：將粉煤灰和氫氧化鋁、碳酸鈉按10∶1∶15的質(zhì)量比混合，在850 ℃焙燒2～3 h。

(5)浸取：將焙燒后的產(chǎn)物研磨成粉，加入一定量的去離子水置于磁力攪拌器中，于50～55 ℃恒溫2 h[5]。

(6)晶化：浸取后升溫至95～100 ℃，在攪拌條件下晶化5～7 h。

(7)烘干：晶化后于烘箱中90～100 ℃烘干。

(8)混合造粒：將控失劑與氯化銨按15∶100的質(zhì)量比混合造粒。

1.3 人工模擬淋失實(shí)驗(yàn)

人工模擬淋失裝置見圖2。在長25 cm、內(nèi)徑為5 cm的玻璃管(底部開直徑為0.5 cm的小孔供淋溶液流出，并鋪一層脫脂棉防止石英砂流出)中加入石英砂(經(jīng)檢驗(yàn)不含銨態(tài)氮，砂粒直徑<0.5 mm)約7 cm厚，然后加入粉煤灰控失肥，肥料上再覆蓋5 cm石英砂。用滴管淋洗，先加入70 mL水，1 h后，再加入30 mL水，收集淋溶液，每次收集10 mL，共收集10次[6]。淋溶結(jié)束后，采用納氏比色-紫外分光光度法[7]分析每次淋溶液中的銨態(tài)氮含量及累積銨態(tài)氮量，計(jì)算累積溶出率。

圖2 人工模擬淋失裝置

淋溶液中銨態(tài)氮的濃度按下式計(jì)算：

式中：ρN為水樣中銨態(tài)氮的質(zhì)量濃度，mg·L-1，以氮計(jì)；As為水樣的吸光度；Ab為空白實(shí)驗(yàn)的吸光度；a為標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距；b為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率；V為試料體積，mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

分別取0.00 mL、0.25 mL、0.50 mL、1.00 mL、1.50 mL、2.50 mL、3.50 mL、5.00 mL 氨氮標(biāo)準(zhǔn)工作溶液于25 mL比色管中，其對應(yīng)的氨氮含量分別為0.0 mg、5.0 mg、10.0 mg、20.0 mg、40.0 mg、60.0 mg和100.0 mg，用蒸餾水稀釋至刻度。再加入納氏試劑0.5 mL，搖勻，放置5 min，在波長420 nm下，以蒸餾水作參比，測量吸光度。以空白校正后的吸光度為縱坐標(biāo)、以其對應(yīng)的氨氮含量(mg)為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明，溶液吸光度與氨氮的含量有良好的線性關(guān)系，回歸方程為：y=0.0075x+0.0002，相關(guān)系數(shù)為0.9998。

2.2 粉煤灰控失肥銨氮溶出特性

對氯化銨(分析純)和制得的粉煤灰控失肥按1.3方法進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 粉煤灰控失肥和氯化銨的銨氮累積溶出率對比

由圖3可以看出，與純的氯化銨相比，粉煤灰控失肥中氮素的流失率降低了20%左右。

3 結(jié)論

將粉煤灰在850 ℃焙燒2～3 h，用2 mol·L-1鹽酸在70 ℃、攪拌條件下對焙燒產(chǎn)物酸溶2～3 h，得到改性粉煤灰；將改性粉煤灰與氫氧化鋁、碳酸鈉按質(zhì)量比為10∶1∶15混合，在850 ℃焙燒2～3 h，得到焙燒產(chǎn)物；將焙燒產(chǎn)物進(jìn)行浸取、晶化、烘干等處理，最后添加一定比例的高分子聚合物，制得化肥控失劑；將控失劑與化肥按一定比例混合造粒，制得粉煤灰控失肥。本實(shí)驗(yàn)制備的控失肥控失效果理想，可降低肥料中氮素態(tài)流失率20%左右，但設(shè)備能耗較大，制備工藝還有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

[1] 趙仲霖.粉煤灰制備4A沸石分子篩的研究[J].煤炭加工與綜合利用，2008，(2)：48-51.

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[3] 石建穩(wěn)，陳少華，王淑梅，等.粉煤灰改性及其在水處理中的應(yīng)用進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2008，27(3)：326-333.

[4] 相會強(qiáng).改性粉煤灰在廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)展[C].中國顆粒學(xué)會2006年年會暨海峽兩岸顆粒技術(shù)研討會，2006：96-99.

[5] 陳泉水.粉煤灰制備4A分子篩工藝研究[J].化工礦物與加工，2001，30(1)：9-11.

[6] 喬菊，蔡冬清，姜疆，等.控失劑對銨態(tài)氮溶出特性的影響[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007，13(24)：34-35.

[7] HJ 535—2009，水質(zhì)-氨氮的測定——納氏試劑分光光度法[S].