粉煤灰吸附材料處理含重金屬?gòu)U水初步探討

譚燕宏

（營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境化學(xué)工程系，遼寧營(yíng)口 115000）

傳統(tǒng)的重金屬污染廢水處理技術(shù)包括化學(xué)沉淀、滲透膜、離子交換、活性炭吸附和共沉淀吸附等，但這些方法的成本普遍較高。近年來(lái)，環(huán)境工程界越來(lái)越重視廉價(jià)高效替代技術(shù)的研究及其實(shí)際工程應(yīng)用，新型價(jià)廉的環(huán)境礦物吸附材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是目前研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。目前已開(kāi)發(fā)出不少新型的礦物吸附材料，具有吸附容量大，吸附速度快，價(jià)格便宜，原料來(lái)源廣泛，使用方便，性能穩(wěn)定，無(wú)毒害等優(yōu)點(diǎn)。

環(huán)境礦物吸附材料的突出優(yōu)點(diǎn)是成本低，來(lái)源廣泛，可重復(fù)使用，吸附的重金屬可回收，不產(chǎn)生廢物，無(wú)二次污染，屬于典型的清潔生產(chǎn)技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。粉煤灰對(duì)溶液中吸附質(zhì)的吸附包括三個(gè)連續(xù)的過(guò)程。第一為顆粒外部擴(kuò)散過(guò)程，吸附質(zhì)由溶液擴(kuò)散到吸附劑表面；第二為孔隙擴(kuò)散過(guò)程，吸附質(zhì)在粉煤灰孔隙中繼續(xù)向吸附點(diǎn)擴(kuò)散；第三為吸附反應(yīng)過(guò)程，吸附質(zhì)被吸附在粉煤灰孔隙的內(nèi)表面上。根據(jù)對(duì)粉煤灰吸附染料廢水的試驗(yàn)結(jié)果，吸附速率由第二過(guò)程即孔隙擴(kuò)散階段所控制。

1 實(shí)驗(yàn)材料

粉煤灰是一種工業(yè)廢渣，是從燒煤粉的鍋爐煙氣中收集的粉狀灰粒，它細(xì)度較小且有著較高的比表面積，具有一定的吸附能力。粉煤灰主要是 由SiO2、Al2O3、FeO+Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、Na2O、SO3、MnO等組成的海綿狀和球狀的細(xì)小顆粒。單個(gè)粉煤灰的粒徑約為2.5~300μm，平均幾何粒徑為40μm。從物理結(jié)構(gòu)看，粉煤灰是一種多孔性物質(zhì)，比表面積大，一般為500~5000cm2/g。

2 試驗(yàn)方法

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)確定振蕩時(shí)間、吸附劑的吸附用量、溫度、粉煤灰的混合比等對(duì)含重金屬?gòu)U水處理效果的影響。從而確定最佳的實(shí)驗(yàn)室工藝條件，作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的參考。

2.1 模擬廢水

模擬廢水制備過(guò)程：取1mg/ml的銅標(biāo)準(zhǔn)貯備液9ml，移入1000ml的容量瓶中，用水稀釋至標(biāo)線(xiàn)，搖勻。所得銅溶液的濃度為9mg/L，即為模擬水樣。在250ml錐形瓶中加入一定量的粉煤灰，然后再加入100ml 濃度為9mg/L 的模擬廢水，在100r/min左右條件下振蕩一定時(shí)間后，用離心機(jī)分離上層清液，用二乙氨基二硫代甲酸鈉萃取分光光度法測(cè)定上清液中Cu2+的吸光度。根據(jù)吸附后的吸光度值，計(jì)算Cu2+的去除率。

2.2 實(shí)際廢水

將試劑溶于蒸餾水中，稀釋至250ml，溶液應(yīng)保存在低于80℃的環(huán)境中。溶液中有沉淀、發(fā)霉不能繼續(xù)使用。首先對(duì)PH標(biāo)準(zhǔn)緩沖試劑進(jìn)行配制，后對(duì)pH測(cè)定儀進(jìn)行標(biāo)定，選擇范圍在4~7之間，然后對(duì)廢水進(jìn)行pH測(cè)定。由試驗(yàn)可知，實(shí)際廢水的pH值為6.44。在250ml錐形瓶中加入一定量的粉煤灰，然后再加入150ml實(shí)際廢水樣，在100r/min左右的條件下振蕩一定時(shí)間后，用離心機(jī)分離上層清液，用二乙氨基二硫代甲酸鈉萃取分光光度法測(cè)定上清液中Cu2+的吸光度。根據(jù)吸附后Cu2+的吸光度值，計(jì)算Cu2+的去除率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 模擬廢水試驗(yàn)

3.1.1 吸附時(shí)間對(duì)粉煤灰吸附性能的影響

取粉煤灰5 份各7.5g 于250ml 錐形瓶中，各加入150ml 含Cu2+9mg/L 的模擬廢水樣，室溫條件下，在100r/min左右的條件下振蕩不同時(shí)間后，用離心機(jī)分離，測(cè)定上清液中Cu2+的吸光度，計(jì)算其對(duì)Cu2+的去除率。振蕩時(shí)間分別為：20min、30min、40min、1h、2h。粉煤灰的吸附時(shí)間對(duì)去除率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 粉煤灰的吸附時(shí)間與去除率的關(guān)系

從圖1中可以看到，隨著粉煤灰吸附時(shí)間的增加，Cu2+的去除率逐漸升高，在30min和40min之間有一個(gè)稍微變緩的趨勢(shì)。40min后去除率仍在增加，但增加的幅度不大，考慮到實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用需要，較好的吸附時(shí)間應(yīng)定在30min左右。

3.1.2 吸附劑用量對(duì)粉煤灰吸附性能的影響

取粉煤灰5份若干克于250ml錐形瓶中，各加入150ml含Cu2+9mg/L的模擬廢水樣，室溫條件下，在100r/min左右的條件下振蕩不同時(shí)間后，用離心機(jī)分離，測(cè)定上清液中Cu2+的吸光度，計(jì)算其對(duì)Cu2+的去除率。吸附劑用量分別為：0.5g、1g、3g、5g、7g 。粉煤灰的吸附用量對(duì)去除率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 吸附劑用量與去除率的關(guān)系

從圖2中可以看到，去除率隨著粉煤灰的吸附用量的增加而增加。吸附劑用量在20g/L 之內(nèi)時(shí)，去除率增加的幅度很大，吸附劑用量在20g/L以后逐漸變緩，但仍有增加的趨勢(shì)。從吸附劑用量經(jīng)濟(jì)、有效性考慮，在30g/L附近時(shí)，去除率達(dá)到了80%以上，吸附劑用量又不是太多，可以認(rèn)為30g/L左右為較好的吸附劑用量的值。

3.2 實(shí)際廢水試驗(yàn)

分別取150ml 廢水，對(duì)粉煤灰進(jìn)行吸附，處理實(shí)際廢水，考察各因素對(duì)去除率的影響。

3.2.1 吸附時(shí)間對(duì)粉煤灰吸附性能的影響

分別取7.5克粉煤灰，放入150ml廢水中，室溫條件下，在100r/min左右的條件下振蕩不同時(shí)間后，用離心機(jī)分離，測(cè)定上層清液中Cu2+的濃度，計(jì)算Cu2+的去除率。 粉煤灰的吸附時(shí)間對(duì)去除率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 粉煤灰吸附時(shí)間與去除率的關(guān)系

從圖3 中可以看到，隨著吸附時(shí)間的增加，吸附率先增加，后基本持平。雖然1h時(shí)，吸附率達(dá)到最大，但與之相比較可以看出，30分鐘以后吸附率變化不大，且排放率均達(dá)到了國(guó)家安全排放標(biāo)準(zhǔn)，從實(shí)際生產(chǎn)中考慮，傾向于選擇30、40分鐘，為較好的吸附時(shí)間。

3.2.2 吸附劑用量對(duì)粉煤灰吸附性能的影響

分別取0.75、1.5、4.5、7.5、10.5 克粉煤灰，放入150ml實(shí)際廢水中，室溫條件下，在100r/min左右的條件下振蕩30分鐘后，用離心機(jī)分離上層清液，用ICP—AES法測(cè)定吸附后Cu2+的濃度，計(jì)算Cu2+的去除率。粉煤灰的吸附劑用量對(duì)去除率的影響見(jiàn)圖4。

圖4 吸附劑用量與去除率的關(guān)系

從圖4中可以看到，隨著吸附劑用量的增加，去除率也隨著增加。在10g/L與50g/L處都有一個(gè)轉(zhuǎn)折?？紤]到實(shí)際應(yīng)用的需要，認(rèn)為吸附劑用量為30g/L時(shí)較好，即達(dá)到了一個(gè)很高的去除率，需要的吸附劑用量又不大。

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

粘土礦物吸附重金屬所涉及的因素很多，如振蕩時(shí)間、溫度、吸附劑的用量等。對(duì)這種多因素影響的反應(yīng)，既要得到最佳的吸附效果，又要盡量減少工作量，最好采用正交試驗(yàn)的方法。

3.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)各因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)一組正交試驗(yàn)確定其他各因素對(duì)去除率的影響及最佳水平組合。水樣濃度為9mg/L，設(shè)計(jì)三因素四水平，選擇正交試驗(yàn)表安排試驗(yàn)。將因素、水平隨機(jī)列成下表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

3.3.2 結(jié)果與分析

將正交試驗(yàn)計(jì)劃表的各種條件進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果列成表，并進(jìn)行極差分析。粉煤灰的正交試驗(yàn)見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰吸附的正交試驗(yàn)

3.4 結(jié)論與展望

本試驗(yàn)結(jié)論：粉煤灰具有較高的吸附活性，可作為廢水中金屬離子的吸附劑。從單因素試驗(yàn)可得：利用粉煤灰作為吸附劑，30分鐘為較好的吸附時(shí)間，去除率達(dá)到94%；30g/L為較好的吸附劑用量，去除率達(dá)到了94.2%。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析，處理含重金屬?gòu)U水的主要影響因素是吸附劑的用量。對(duì)于粉煤灰，最佳水平組合為在25℃的條件下，粉煤灰用量為30g/L，吸附30min，吸附后Cu2+濃度為0.2mg/L，去除率為97.8%。通過(guò)以上結(jié)論可知，利用粉煤灰處理含重金屬?gòu)U水具有廣闊的應(yīng)用前景，利用工業(yè)廢渣粉煤灰處理含重金屬離子廢水具有以廢治廢、原料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。