粉煤灰活化及在含油廢水處理中的應用研究

郭亞文，孫秀君，劉艷娟

（1．上海楊浦區大橋街道綠化和市容管理所，上海200092；2．唐山學院 環境與化學工程系，河北 唐山063000）

粉煤灰是由火力發電廠燃煤鍋爐排放出的一種可對環境造成嚴重污染的工業固體廢棄物，但是，在粉煤灰中富含以活性氧化物SiO2和Al2O3為主的玻璃微珠，并且表面呈多孔結構，比表面積較大，因此具有很強的物理和化學吸附性能。研究表明，粉煤灰應用在廢水處理領域取得了可喜進展，成為取代活性炭等吸附材料處理生活污水、工業廢水的新型材料［1－5］。粉煤灰處理廢水均需經過一定的改性活化處理才能提高吸附效率［6－7］，現有的改性手段主要包括熱改性、酸改性、堿改性、鹽改性、混合改性等［8－11］。如果能綜合利用改性手段改進粉煤灰吸附性能，就可以極大地提高它在廢水處理方面的廣度和深度。

含油廢水中主要污染物質為油類，包括漂浮油、乳化油、和分散油，其中乳化油由于乳化液分子在油－水界面上定向吸附形成堅固的界面膜，難以聚集在一起而穩定存在于水中。對于這種含乳化油廢水，破乳絮凝是水處理的關鍵技術［12－13］。

本研究先對粉煤灰進行活化處理，然后利用其天然的吸附性能對含油廢水中的乳化油進行吸附混凝，通過正交實驗和單因素分析相結合的方法得出粉煤灰最佳活化條件及混凝的最佳條件。

1 實驗材料和實驗原理

1.1 廢水的來源與水質

原水選取唐山市某齒輪廠含油廢水，主要包括切削液、乳化液、齒輪油等石油類有機污染物以及懸浮性顆粒物等，油滴主要以乳化態和溶解態存在。水質分析如表1所示。

表1 原水水質

1.2 粉煤灰的來源與特點

本實驗所用粉煤灰原材料為唐山某電廠粉煤灰，其化學成分（質量分量）見表2。

表2 唐山某電廠粉煤灰化學成分 %

掃描電鏡分析（圖1）顯示，粉煤灰中除含有大量呈針狀或棒狀形態的莫來石晶體外，還含有較多的呈球形的鋁硅酸鹽玻璃體。

圖1 粉煤灰的SEM照片

1.3 實驗原理

粉煤灰處理廢水的作用機理有吸附機理（物理吸附、化學吸附、離子交換吸附）、凝聚機理（污染物通過與粉煤灰發生接觸凝聚而被去除）、沉淀機理（污染物由于沉降作用）和過濾機理（污染物通過粉煤灰濾層時被過濾載留去除）。其中占主導地位的是吸附作用，但直接用粉煤灰處理廢水的吸附效率不高［9－10］，必須通過改性才能提高其對水處理的效率。

2 實驗結果與討論

2.1 粉煤灰活化實驗

本實驗主要應用了熱改性、酸改性以及鹽改性等幾種改性手段對粉煤灰進行活化改性處理，因此以粉煤灰活性溫度、Na2CO3和H2SO4為主要影響因素，分別選取三個水平，通過正交實驗采用L9（33）正交表確定最佳活化條件。

實驗方法：將經200目篩后的50g粉煤灰樣品，加入一定量的Na2CO3固體放入馬弗爐中煅燒至預定溫度，恒溫90 min后取出冷卻至室溫，加入一定濃度的100mL H2SO4進行活化，充分混合攪拌30min左右，在100℃水浴鍋中水浴加熱2h，待充分反應后，過濾洗滌，洗至濾液的pH為2～3，于100℃烘箱中烘干，如果有結塊的現象應研磨至200目。因素水平表和實驗結果分別如表3，表4所示。

由極差分析和均值分析可以得出，影響粉煤灰吸附性能的因素主次順序依次為BCA，最優方案為A2B2C2，因此，粉煤灰最佳活化條件為焙燒溫度為300℃，Na2CO3加入量為20g，硫酸濃度為70%。

表3 影響粉煤灰吸附性能的因素水平表

表4 粉煤灰影響因素正交實驗方案及結果分析

2.2 影響粉煤灰混凝吸附特性的單因素分析實驗

影響混凝吸附效果的因素比較復雜，主要有水溫、水質和水利條件等，本實驗以最佳條件活化的粉煤灰吸附材料對廢水中的COD進行去除，對影響混凝吸附效果的廢水溫度、pH值、慢速攪拌時間以及活化粉煤灰的用量進行單因素分析，得出最佳混凝吸附條件。

2.2.1 溫度對粉煤灰吸附性能的影響

取6份500mL廢水水樣分別置于1 000mL燒杯中，調節各水樣的水溫至10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，35℃，分別加入50g活化粉煤灰，快速攪拌（200r／min）1min，慢速攪拌（50r／min）8min，靜置30min，取液面下2cm 處水樣測其COD。結果如圖2所示。由于吸附的過程是一個放熱的過程，水溫太高時粉煤灰發生解析，不利于吸附的進行；而溫度偏低時粉煤灰活性較低，也不利于對COD的去除，所以，自然條件下用活化粉煤灰對廢水中COD進行吸附處理時在20～25℃時效果最好。

2.2．2 pH值對粉煤灰吸附性能的影響

取6份500mL廢水水樣分別置于1 000mL燒杯中，水溫為室溫25℃，用HCl和NaOH調節廢水的pH值分別為4，6，7，8，9，11，分別加入50g活化粉煤灰，快速攪速攪拌（200r／min）1min，慢速攪拌（50r／min）8min，靜置30min，取液面下2cm處水樣測其COD。結果如圖3所示。

圖2 廢水溫度對粉煤灰吸附性能的影響

圖3 廢水pH對粉煤灰吸附性能的影響

圖3表明pH值對COD去除率的影響較大。在酸性環境中，粉煤灰對COD的吸附能力較低，隨著pH值的增大，去除率力逐漸增強，到pH值為7（中性附近）時達到最大；中性和弱堿性環境中，隨pH值的增大，粉煤灰對廢水中COD的去除率仍較高，但當廢水的pH值高于9趨于強堿性環境時，粉煤灰的吸附能力明顯下降。這是由于在堿性條件下，粉煤灰表面富集大量負電荷，會增強粉煤灰吸附能力，但強堿性環境中大量的OH－也會降低粉煤灰活性。而粉煤灰中的活性成分主要是一些堿性氧化物，在強酸性環境中，廢水中的H＋會使這些堿性氧化物失活，從而使粉煤灰的吸附能力顯著降低。

2.2.3 攪拌時間對粉煤灰吸附性能的影響

取6份500mL廢水水樣分別置于1 000mL燒杯中，水溫為室溫25℃，pH為7．2，分別加入50g活化粉煤灰，快速攪速攪拌（200r／min）1min，慢速攪拌（50r／min）依次為2 min，4min，6min，8min，10min，12min，靜置30min，取液面下2cm處水樣測其COD。結果如圖4所示。

圖4 攪拌時間對粉煤灰吸附性能的影響

吸附是一個平衡進行的過程，為了使粉煤灰吸附材料的吸附性能達到最好的效果，吸附物質必須與吸附劑之間有充分的接觸時間。由圖4可以看出，隨著攪拌時間的增加粉煤灰吸附能力增強，對COD的去除率有所增加，在攪拌時間為10min時達到最大值50．1%，但攪拌時間繼續增加卻不能提高吸附能力，所以確定活化粉煤灰對COD去除的最佳攪拌時間是10min。

2.2.4 活化粉煤灰的加入量對混凝吸附性能的影響

取6份500mL廢水水樣分別置于1 000mL燒杯中，水溫為室溫25℃，pH 為7．2，分別加入10g，20g，30g，40g，50g，60g活化粉煤灰，快速攪拌（200r／min）1min，慢速攪拌（50r／min）10min，靜置30min，取液面下2cm 處水樣測其COD。結果如圖5所示。

圖5 活化粉煤灰加入量對混凝吸附性能的影響

圖5表明隨著粉煤灰活性吸附材料用量的增加，粉煤灰對含油廢水中的COD去除率逐漸增大，當粉煤灰的用量增加到50g以上時，廢水中的COD去除率又有所下降，所以最適合的投加量為50g／500mL含油廢水。

2.3 活化粉煤灰的吸附效果與活性炭對比實驗

為了很好地了解粉煤灰吸附材料的實用價值，本實驗在相同條件下采用等量粉煤灰和活性碳分別處理唐山某齒輪廠的含油廢水，對COD的去除效果見表5。

表5 粉煤灰吸附材料和活性碳處理效果比較

由表5可知：粉煤灰吸附材料對廢水中COD的去除率為68．59%，去除率與活性炭相當，并且不用考慮再生問題，既節約了成本又實現了“以廢治廢”的目的，因此，應用活化粉煤灰處理含油廢水具有較好的應用前景。

3 結論

（1）通過正交實驗確定了粉煤灰的活化改性條件：焙燒溫度為300℃，Na2CO3加入量為20g，硫酸濃度為70%。

（2）粉煤灰對含油廢水的吸附效果受廢水溫度、pH值、攪拌時間、投加量的影響。實驗結果表明，粉煤灰吸附含油廢水的最佳條件為：溫度為20～25℃，PH值近中性，慢速攪拌時間10min，粉煤灰投加量為50g／500mL時，含油廢水的COD去除率可以達到68．59%，吸附效果較為顯著，實現了“以廢治廢”的目的。

（3）粉煤灰吸附材料在處理含油廢水時可以在一定范圍內取代活性炭。

［1］ 隆國基，隆巖．粉煤灰的綜合利用［J］．林業科技情報，1996（3）：23－25．

［2］ 李亞峰，孫鳳海，牛晚楊，等．粉煤灰處理廢水的機理及應用［J］．礦業安全與環保，2001，28（2）：30－32．

［3］ 吳向陽，仰榴青．粉煤灰在污水處理中的應用［J］．江蘇理工大學學報：自然科學版，2001，21（4）：48－51．

［4］ 席炳炬，劉冬梅．煤灰在廢水處理中的作用與弊害研究［J］．環境工程，1990，8（4）：32－35．

［5］ 薛建軍，趙秀芳，尤彩真，等．粉煤灰在廢水處理中的應用［J］．電鍍與環保，1993，13（2）：25－26．

［6］ Gupta G S．Removal of ehromedye from aqueous solutions by fly ash［J］．Air＆Soi1Pollution，1988，3（1）：13－14．

［7］ Lee G Fred．Role of phosphorus in eutrophication and diffuse source control［M］．Great Britain：Water Research Pergamon Press，1973：111－128．

［8］ 王福元，吳正嚴．粉煤灰利用手冊［M］．2版．北京：中國電力出版社，2004：36－59．

［9］ 劉學倫，王孚懋，王霞，等．粉煤灰在環境工程中的應用［J］．山東環境，2000（5）：58－59．

［10］ 邵靖邦．國外粉煤灰利用現狀及發展趨勢［J］．中國煤炭，1996（8）：62－68．

［11］ 韓懷強，蔣挺大．粉煤灰利用技術［M］．北京：化學工業出版社，2001：24－60．

［12］ 楊碩芳．工業機械廢水處理［J］．給水排水，1998，24（7）：38－41．

［13］ 劉宏．電解質破乳劑特征的研究［J］．江蘇大學學報，2000，21（3）：27－29．