改性粉煤灰吸附處理含鉛廢水試驗(yàn)研究

高玉紅，辛 景，梁亞男，申麗英

（邯鄲學(xué)院 化學(xué)化工與材料學(xué)院，河北 邯鄲 056005）

粉煤灰是燃煤電廠煤燃燒后的灰燼，簡稱飛灰（fly ash）。我國粉煤灰每年產(chǎn)生1．2億t［1-2］，對空氣、土壤和淡水都有一定影響［3］。粉煤灰的比表面積較大，有很多Al、Si活性點(diǎn)，像活性炭一樣具有很好的吸附性能。吸附1次后的粉煤灰不需要再生，可直接用于生產(chǎn)水泥等，所以，粉煤灰在廢水處理方面已得到廣泛研究。［4-5］

試驗(yàn)采用5種方法對粉煤灰進(jìn)行改性，然后用改性粉煤灰對模擬含鉛廢水進(jìn)行吸附處理，以期篩選出最有效的改性方法，為粉煤灰在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1．1 材料和儀器

模擬含鉛廢水：用硝酸鉛配制，鉛質(zhì)量濃度為100mg／L。

粉煤灰：取自邯鄲某發(fā)電廠，其成分主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、未燃盡的碳，少量MgO、Na2O、K2O等。

主要儀器：火焰原子吸收光譜儀，數(shù)字超聲波清洗儀，電熱恒溫干燥箱，PHS-P1型酸度計(jì)，馬弗爐，磁力攪拌器等。

1．2 粉煤灰的改性

1）堿改性：取研磨粉煤灰10g，與一定濃度的氫氧化鈉溶液按1∶10的質(zhì)量體積比混合，在磁力攪拌器上攪拌40min，過濾后得到改性粉煤灰，在80℃烘箱中烘干后再研磨，制得堿改性粉煤灰。

2）酸改性：取研磨粉煤灰10g，與一定濃度的硫酸溶液按1∶10的質(zhì)量體積比混合，在磁力攪拌器上攪拌40min，過濾后得改性粉煤灰，在80℃烘箱中烘干后再研磨，制得硫酸改性粉煤灰。

3）超聲改性：取研磨粉煤灰10g，加入100 mL二次蒸餾水，得到粉煤灰懸浮液，放入超聲波振蕩器中，在30℃、振蕩頻率100%條件下振蕩一定時(shí)間后過濾，在80℃ 烘箱中烘干后再研磨，制得超聲波改性粉煤灰。

4）高溫改性：取研磨粉煤灰6g，放入馬弗爐中，在400℃下焙燒一定時(shí)間后冷卻至室溫，制得高溫焙燒改性粉煤灰。

5）助溶劑改性：用無水碳酸鈉作助溶劑，按一定比例與粉煤灰混合后放入馬弗爐中焙燒1h，取出后冷卻至室溫，制得碳酸鈉改性粉煤灰。

1．3 吸附試驗(yàn)

取5種改性粉煤灰各0．3g加入到燒杯中，分別加入50mL模擬廢水，在磁力攪拌器上攪拌40min后過濾，測定濾液中鉛離子質(zhì)量濃度，計(jì)算鉛吸附率。

1．4 分析方法

采用火焰原子吸收光譜法（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司TAS-986）測定溶液中鉛離子質(zhì)量濃度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1 堿濃度對改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

由圖1看出，NaOH濃度對粉煤灰的性能影響較大：NaOH濃度為3mol／L時(shí)，改性粉煤灰的吸附性能最好，吸附率為99．60%。用NaOH改性過程中，溶液中的OH-使粉煤灰的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，提供了更多的活性位點(diǎn)，并且增大了粉煤灰的比表面積，使粉煤灰的吸附性能大大提高；NaOH濃度大于3mol／L后，OH-濃度過高，開始與粉煤灰表面的Si和Al結(jié)合，導(dǎo)致粉煤灰吸附能力下降。

圖1 NaOH濃度對改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

2．2 硫酸濃度對改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

由圖2看出：改性粉煤灰的吸附能力隨硫酸濃度增大而增大，當(dāng)硫酸濃度為4mol／L時(shí)，吸附率達(dá)93．82%；雖然再增大硫酸濃度，改性粉煤灰的吸附能力還可提高，但提高幅度較小，而且硫酸濃度過大會(huì)增加成本。所以，最佳硫酸濃度確定為4mol／L。

圖2 硫酸濃度對改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

2．3 超聲波對改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

從圖3看出，超聲波對改性粉煤灰的吸附能力影響不大，超聲改性30～110min，粉煤灰對鉛離子的吸附率在53%～55%之間，變化不大。該粉煤灰屬于一級灰，顆粒粒徑很小，超聲波無法再將其擊碎，所以吸附能力提高幅度不大。

圖3 超聲波對改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

2．4 高溫焙燒對改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

由圖4看出，高溫焙燒對粉煤灰的吸附能力有一定提升作用：焙燒1h的粉煤灰對鉛離子的吸附率最大；隨焙燒時(shí)間延長，吸附率反而降低。高溫焙燒使粉煤灰表面的水分蒸發(fā)，更多活性位點(diǎn)裸露出來，可以吸附更多的鉛離子；而長時(shí)間的高溫焙燒會(huì)導(dǎo)致粉煤灰的孔洞結(jié)構(gòu)被破壞［4］，活性位點(diǎn)減少，從而導(dǎo)致吸附能力下降。

圖4 高溫焙燒對改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

2．5 助溶劑對改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

由圖5看出：加助溶劑改性粉煤灰，在助溶劑和粉煤灰的質(zhì)量比為3∶5時(shí)，改性粉煤灰對鉛離子的吸附能力最強(qiáng)，鉛離子吸附率達(dá)97．26%；繼續(xù)增加二者質(zhì)量比，鉛離子吸附率降低。這是由于助溶劑在高溫焙燒條件下與粉煤灰發(fā)生熔融［6］，構(gòu)成一個(gè)整體，隨二者質(zhì)量比增大，粉煤灰比表面積變小，吸附能力降低。

圖5 助溶劑對改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

2．6 堿改性粉煤灰對廢水中鉛離子的吸附

2．6．1 溫度對堿改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

取堿改性粉煤灰0．3g，加入50mL模擬廢水，放到磁力攪拌器上，在不同溫度下攪拌40 min后過濾得清液，測定清液中鉛離子質(zhì)量濃度，計(jì)算鉛離子吸附率。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 吸附溫度對堿改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

由圖6看出，隨溫度升高，改性粉煤灰的吸附能力降低。因?yàn)槲竭^程中放熱，隨溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，使改性粉煤灰吸附能力下降，所以確定在常溫下吸附即可。

2．6．2 廢水pH對堿改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

取5份0．3g氫氧化鈉改性粉煤灰，分別加入50mL模擬廢水，用硫酸和氫氧化鈉調(diào)溶液pH，磁力攪拌，20℃下攪拌吸附40min后過濾得清液，測定清液中鉛離子質(zhì)量濃度，計(jì)算吸附率。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。可以看出，溶液pH對堿改性粉煤灰吸附鉛離子有較大影響：隨pH增大，鉛離子吸附率提高；溶液呈酸性時(shí)，鉛離子吸附率較低，這可能是氫離子與鉛離子競爭吸附所致；溶液pH達(dá)5．0后，吸附率雖有提高，但提高幅度不大。堿性條件可以提高粉煤灰的吸附能力［7］，原因可能是OH-能夠進(jìn)一步激活粉煤灰的活性點(diǎn)，并使鉛離子產(chǎn)生沉淀，從而使粉煤灰吸附能力更強(qiáng)［6］。

圖7 廢水pH對堿改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

2．6．3 吸附時(shí)間對堿改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

取5份0．3g堿改性粉煤灰，分別加入50 mL模擬廢水，常溫下，調(diào)節(jié)pH＝7．0，磁力攪拌不同時(shí)間后過濾得清液，測定清液中鉛離子質(zhì)量濃度，計(jì)算鉛離子吸附率。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 吸附時(shí)間堿改性粉煤灰吸附鉛離子的影響

由圖8看出：堿改性粉煤灰對鉛離子的吸附在短時(shí)間內(nèi)就已基本完成，吸附10min時(shí)，吸附率為85．66%；吸附40min時(shí)，吸附率接近99%，吸附基本達(dá)到平衡。所以選定40min為最佳吸附時(shí)間。

2．7 堿改性粉煤灰對含鉛廢水的吸附等溫線

將堿改性粉煤灰對含鉛廢水的等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果用Langmuir等溫式和Freundlich等溫式［8-9］進(jìn)行擬合，所得曲線如圖9、10所示，擬合結(jié)果見表1。

圖9 Langmuir等溫吸附曲線

圖10 Freundlich等溫吸附曲線

表1 等溫吸附方程擬合結(jié)果

從表1看出：兩種等溫吸附式擬合結(jié)果均比較理想，其相關(guān)系數(shù)R2都大于0．97；Freundlich吸附等溫式中，n＝0．452，表明堿改性粉煤灰作為吸附劑具有較強(qiáng)的吸附能力，對鉛離子的吸附屬于良性吸附。粉煤灰對鉛離子的吸附不只是單一分子層的吸附，也存在多分子層的吸附現(xiàn)象。

3 結(jié)論

5種改性方法都可對粉煤灰進(jìn)行改性，但氫氧化鈉的改性效果最好。適宜條件下，用氫氧化鈉改性的粉煤灰從廢水中吸附鉛離子，鉛離子去除率可達(dá)99%；氫氧化鈉改性粉煤灰對鉛離子的吸附屬于良性吸附，吸附不只是單一分子層的吸附，也存在多分子層的吸附現(xiàn)象。吸附過程符合Freundlich等溫式和Langmuir等溫式。

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