粉煤灰的改性、成型及深度除磷應用

葉愛英，徐景峰

（常州工程職業技術學院 制藥與生物工程技術系，江蘇 常州 213164）

研究表明，改性粉煤灰具有很強的吸附能力，對含磷廢水處理效果較好［1］。近些年，對于含磷廢水的治理研究較多，并取得了一定的成就［2-3］。但對于廢水中質量濃度低于20 mg/L的磷不易去除完全，無法達到國家一級排放標準。粉煤灰顆粒細小，利用粉煤灰處理廢水時，存在灰水難以分離的問題。

本工作選擇合適的改性劑對粉煤灰進行改性，并應用于含磷廢水的處理，達到了深度脫磷的效果；將改性后的粉煤灰通過有機高分子交聯的方法進行成型處理，在不影響吸附量的同時，使改性粉煤灰在水中易于沉降，達到快速灰水分離的目的。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑和儀器

實驗用試劑均為分析純。

實驗用粉煤灰：粒度大于60目，常州市震華熱電有限公司。

XA-1型高速粉碎機：金壇市盛藍儀器制造有限公司；SX2-4-LO型馬弗爐：上海平聯環境試驗設備公司恒昌儀器廠；DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科技有限公司；T6型新世紀分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；KH3200DE型數控超聲波儀：昆山禾創超聲儀器有限公司。

1.2 改性粉煤灰的制備

將粉煤灰置于粉碎機中粉碎，于500 ℃馬弗爐中灼燒2 h，取出后冷卻至室溫，備用。

向10 g粉煤灰中滴加30 mL質量分數為20%的氫氧化鋁乳濁液，充分攪拌后抽濾，于120 ℃烘干，制得氫氧化鋁改性粉煤灰。

將10 g粉煤灰置于坩堝中，用硫酸鋁溶液浸漬后，攪拌均勻。于100 ℃烘箱中恒溫烘干水分，置于500 ℃馬弗爐中灼燒2 h，制得硫酸鋁改性粉煤灰。

向10 g粉煤灰中加入30 mLV（鹽酸）∶V（硫酸）∶V（水）= 1∶1∶2的混和酸，于室溫下充分攪拌后抽濾，于120 ℃烘干，制得酸改性粉煤灰。

在80 ℃條件下，向10 g粉煤灰中滴加8 mL濃度為5.0 mol/L的氫氧化鈉溶液，浸漬3 h，于80 ℃烘干，制得堿改性粉煤灰。

1.3 改性粉煤灰的成型

取烘干后的改性粉煤灰加入適量丙烯酰胺、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺以及氧化還原引發劑，聚合成型。將成型改性粉煤灰粉碎，于80 ℃烘干，取40～60目篩余物備用。

1.4 改性粉煤灰除磷實驗

向100 mL磷質量濃度為10.0 mg/L的模擬廢水中加入1 g改性粉煤灰，調節體系pH為中性，于室溫下以300 r/min的轉速攪拌1 h，靜置。取上清液，采用分光光度法測定磷濃度，計算磷去除率。

1.5 改性粉煤灰的超聲再生

向吸附后的粉煤灰中加入適量蒸餾水，在超聲功率為800 W、超聲時間為30 min的條件下進行超聲處理，超聲結束后靜置沉淀，于60～70 ℃干燥。考察再生后改性粉煤灰的除磷效果。

2 結果與討論

2.1 不同改性粉煤灰的除磷效果

不同改性粉煤灰的除磷效果見表1。由表1可見：經氫氧化鈉改性和混合酸改性后，粉煤灰的磷去除率反而變低，這是因為改性使粉煤灰中的主要吸附活性物質Al2O3和CaO變為Al3+和Ca2+，吸附能力下降； 經氫氧化鋁、硫酸鋁改性后粉煤灰的磷去除率有了很大提高；氫氧化鋁改性粉煤灰的磷去除效果最佳，磷去除率可達100%，這是因為氫氧化鋁和硫酸鋁改性增加了粉煤灰中Al2O3的活性點，提高了吸附能力。

表1 不同改性粉煤灰的除磷效果

用氫氧化鋁和硫酸鋁改性粉煤灰處理后的廢水的磷質量濃度低于0.50 mg/L，達到GB8978—1996《污水綜合排放標準》［4］中的一級標準。

2.2 吸附等溫線

以氫氧化鋁改性粉煤灰作為吸附劑，初始磷質量濃度對吸附量的影響見表2。

表2 初始磷質量濃度對吸附量的影響

由表2可見，隨初始磷質量濃度的增加，吸附量逐漸增加，磷去除率逐漸降低。根據表2中的數據繪制改性粉煤灰對磷的吸附等溫線，見圖1。

圖1 改性粉煤灰對磷的吸附等溫線

粉煤灰對磷的吸附主要是化學吸附，基于單分子層吸附理論，采用Langmuir等溫吸附方程對吸附等溫線數據進行擬合，得方程ρe/qe=1.301 9ρe+0.055 3，相關系數為0.999 9。式中：ρe為吸附平衡時磷質量濃度，mg/L；qe為平衡吸附量，mg/g。計算得出改性粉煤灰對磷的飽和吸附量為0.77 mg/g。

2.3 成型氫氧化鋁改性粉煤灰的除磷效果

氫氧化鋁改性粉煤灰成型前后的除磷效果見表3。由表3可見：成型氫氧化鋁改性粉煤灰的磷去除率略低于氫氧化鋁改性粉煤灰的磷去除率。這是由于氫氧化鋁改性粉煤灰成型后，粉煤灰積聚，使有效比表面積降低，導致吸附性能略有下降。但成型氫氧化鋁改性粉煤灰的磷去除率仍可達97.70%，處理后模擬廢水中的磷質量濃度為0.23 mg/L，低于0.50 mg/L，達到GB8978—1996《污水綜合排放標準》中的一級標準；但成型氫氧化鋁改性粉煤灰的沉降時間較氫氧化鋁改性粉煤灰縮短了14倍，灰水分離效果非常明顯。改性對粉煤灰的成型具有積極作用。通常改性前粉煤灰的成型灰限量只有50 g，即當粉煤灰質量大于50 g時，高分子引發困難，不易成型。成型灰限量低會嚴重影響粉煤灰的表面積，影響磷去除率。而采用氫氧化鋁改性后粉煤灰更易成型，成型灰限量可達140 g，對磷去除率影響小。

2.4 超聲再生成型氫氧化鋁改性粉煤灰的除磷效果

超聲再生成型氫氧化鋁改性粉煤灰的除磷效果見表4。由表4可見，成型氫氧化鋁改性粉煤灰經超聲再生后，磷去除率可達67.90%，表明超聲對改性粉煤灰具有一定的再生效果，再生后的成型氫氧化鋁改性粉煤灰具有一定的重復使用價值。

表4 超聲再生成型氫氧化鋁改性粉煤灰的除磷效果

3 結論

a）選用適當的改性劑對粉煤灰進行改性處理，將改性后的粉煤灰用于處理低濃度含磷廢水，提高了粉煤灰的深度除磷性能。

b）以1 g氫氧化鋁改性粉煤灰作為吸附劑，處理100 mL磷質量濃度為10.0 mg/L的模擬廢水，磷去除率可達99.70%，處理后模擬廢水中磷質量濃度低于0.50 mg/L，達到GB8978—1996《污水綜合排放標準》中的一級標準。

c）改性后的粉煤灰通過有機高分子交聯方法進行成型處理。成型粉煤灰的沉降時間縮短了14倍，灰水分離效果非常明顯。

d）超聲再生氫氧化鋁改性粉煤灰對磷的去除率為67.9%，表明超聲對成型氫氧化鋁改性粉煤灰有一定的再生效果。

［1］ 賀心燕，鄧春蕾. 粉煤灰除磷的試驗研究［J］. 中國西部科技，2009，26（8）：25-26.

［2］ 崔麗娜，李繼，呂小海. 污水除磷技術的研究與發展［J］. 環境保護科學，2011，37（2）：10-13.

［3］ 楊林鋒，翟建平，鄭波，等. 酸改性粉煤灰去除污水中磷的試驗研究［J］. 粉煤灰綜合利用，2006，23（3）：18-20.

［4］ 原國家環境保護總局. GB8978—1996 污水綜合排放標準［S］. 北京：中國標準出版社，1996.