堿法改性粉煤灰處理印染廢水的研究

劉延慧(攀枝花學(xué)院產(chǎn)教融合發(fā)展部(公共實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心)，四川 攀枝花 617000)

0 引言

粉煤灰含有多孔玻璃體和多孔炭粒，比表面積大，吸附活性高，多用粉煤灰做吸附劑處理廢水[1]。粉煤灰在燃燒過(guò)程中因氣體是否逸出會(huì)形成開放性孔穴和封閉性孔穴，通過(guò)化學(xué)改性方法可以打開封閉性孔穴，進(jìn)一步增大粉煤灰比表面積可孔隙率，提高吸附性能。目前粉煤灰改性方法主要有酸改性、堿改性、鹽改性、表面活性劑改性、混合改性[2]。試驗(yàn)利用堿法改性粉煤灰，藉以為粉煤灰高效利用提供基礎(chǔ)資料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

722S型分光光度計(jì)，磁力攪拌器等；堿性品紅，氫氧化鈣，氫氧化鈉，PDMDAAC等。

1.2 模擬印染廢水的配制

稱取0.05g堿性品紅，定容至1000mL，配制50mg/L模擬印染廢水備用。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用堿法對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性，采用堿性品紅模擬印染廢水。向模擬印染廢水中投加一定量堿法改性粉煤灰，在室溫下200r/min轉(zhuǎn)速攪拌吸附15min，取上層清液于最大波長(zhǎng)為543nm處測(cè)定其吸光度A，計(jì)算脫色率。實(shí)驗(yàn)考查改性劑的最佳配比、改性粉煤灰投加量、吸附攪拌時(shí)間和pH值，得到堿法改性粉煤灰吸附模擬印染廢水的適宜條件。

1.4 廢水脫色率的計(jì)算

采用分光光度法對(duì)廢水色度進(jìn)行測(cè)定，脫色率η(%)按式(1)計(jì)算：

式中：A0為模擬染料廢水吸光度；A為染料廢水經(jīng)粉煤灰吸附后的吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同堿性改性劑改性粉煤灰對(duì)廢水脫色率影響

在室溫下，分別向5份50mL的模擬廢水中加入未改性粉煤灰與各改性劑改性的粉煤灰0.2g，吸附處理廢水后，測(cè)定其上層清液的吸光度，計(jì)算脫色率，結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法改性粉煤灰對(duì)脫色率的影響

粉煤灰主要成分是二氧化硅和氧化鋁，屬于硅鋁酸鹽，此外，還含有少量的氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂和未燃盡的碳，因此鋁硅活性點(diǎn)較多。而且粉煤灰因孔隙多比表面積大，比表面能高，吸附能力強(qiáng)。對(duì)其進(jìn)行改性后，可以進(jìn)一步增大孔隙率，增大粉煤灰潛在活性，進(jìn)一步增強(qiáng)吸附性能。從表1可以看出，改性后粉煤灰處理廢水效果更好，NaOH與PDMDAAC混合改性粉煤灰比其他幾種改性粉煤灰處理印染廢水效果好。這是因?yàn)閴A性改性劑能激發(fā)粉煤灰潛在活性，其致密態(tài)的玻璃結(jié)構(gòu)和表面保護(hù)膜層能被堿性物質(zhì)破壞，釋放出內(nèi)部可溶性氧化鋁、氧化硅的活性，經(jīng)水化反應(yīng)生成水化產(chǎn)物，使粉煤灰中玻璃體的硅氧鍵、鋁氧鍵在水化反應(yīng)中快速斷裂，增大孔隙率，從而大大提高了粉煤灰的吸附能力。

2.2 NaOH與PDMDAAC混合改性粉煤灰改性劑最佳配比確定

NaOH與PDMDAAC分別按1:1、1:1.5、1:2、2:1、2:1.5質(zhì)量比改性粉煤灰，吸附處理模擬印染廢水，結(jié)果如表2所示。

表2 NaOH與PDMDAAC比例對(duì)脫色率的影響

從表2可知，NaOH和PDMDAAC的質(zhì)量比為1/2時(shí)，脫色率較高，這是因?yàn)镻DMDAAC吸附在粉煤灰表面，粉煤灰表面電性發(fā)生改變，改性后粉煤灰?guī)д姾?，由于堿性品紅帶負(fù)電，因而改性粉煤灰既具有吸附能力，也具備電中和能力，增強(qiáng)了粉煤灰處理效果[3]。NaOH和PDMDAAC的質(zhì)量比過(guò)高或過(guò)低，脫色率都下降。試驗(yàn)采用NaOH和PDMDAAC比例在1/2時(shí)，即各加相同質(zhì)量的改性劑來(lái)改性粉煤灰，吸附處理效果較好。

2.3 NaOH與PDMDAAC混合改性粉煤灰最佳投加量確定

投加NaOH與PDMDAAC混合改性粉煤灰分別為0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g，到50mL模擬廢水，在室溫下200r/min轉(zhuǎn)速攪拌吸附15min，取上層清液于λmax為543nm處測(cè)定其吸光度A，計(jì)算脫色率，結(jié)果如表3所示。

表3 粉煤灰用量對(duì)脫色率的影響

由表3可知，隨著粉煤灰的投加量的增加脫色率增加，在投加量在0.4g時(shí)脫色率達(dá)到最大值51.2%。但當(dāng)粉煤灰用量再增加時(shí)，脫色率幾乎不再變化。這是因?yàn)殡S粉煤灰用量增加，吸附點(diǎn)位增多，脫色率增大[4]。但繼續(xù)增加粉煤灰用量，脫色率變化不大。因?yàn)閴A性品紅量一定，當(dāng)吸附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，溶液中的游離堿性品紅將不能被吸附。綜合考慮后期的分離及經(jīng)濟(jì)成本等因素，對(duì)模擬廢水采用0.4g改性粉煤灰投加量為宜。

2.4 NaOH與PDMDAAC混合改性粉煤灰最佳反應(yīng)時(shí)間確定

取50mL模擬廢水，投加0.4g改性粉煤灰，在室溫下200r/min轉(zhuǎn)速攪拌每隔5min取上層清液于543nm處測(cè)定其吸光度A，計(jì)算脫色率，結(jié)果如表4所示。

表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)脫色率影響

由表4可知，粉煤灰對(duì)堿性品紅的吸附效果明顯，在攪拌時(shí)間為10min時(shí)，達(dá)到了較高脫色率，之后脫色率變化不大。這是因?yàn)闈舛炔钭兓瘜?dǎo)致吸附推動(dòng)力變化引起的，改性粉煤灰剛投入廢水時(shí)，染料分子在粉煤灰表面和溶液中濃度差最大，此時(shí)吸附推動(dòng)力也最大，造成吸附速率快。但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，濃度差異減小，吸附推動(dòng)力變小，吸附速率變緩?？紤]經(jīng)濟(jì)因素，試驗(yàn)采用吸附時(shí)間為10min。

2.5 NaOH與PDMDAAC混合改性粉煤灰最佳pH確定

取6份50mL模擬廢水，均投加0.4g改性粉煤灰，分別調(diào)節(jié)pH=2、4、6、8、10、12,在室溫下200r/min轉(zhuǎn)速攪拌，吸附10min，取上層清液于543nm處測(cè)定其吸光度A，計(jì)算其脫色率，結(jié)果如表5所示。

表5 pH值對(duì)脫色率影響

由表5可知，在酸性范圍內(nèi)，堿法改性粉煤灰對(duì)堿性品紅的脫色效果較好，在堿性條件下，脫色率有所下降。這可能因?yàn)樵谒嵝詶l件下粉煤灰中的Al2O3，F(xiàn)e2O3等溶解為Al3+、Fe3+，其具有一定的絮凝作用，同時(shí)粉煤灰的比表面積也有所增加，吸附性能提高。當(dāng)pH大于8時(shí)，改性粉煤灰對(duì)廢水的脫色率降低，可能是由于隨著pH值的升高，染料分子因電離產(chǎn)生大量負(fù)電荷，同時(shí)粉煤灰表面也吸附大量的OH-，染料和粉煤灰之間形成靜電斥力，從而導(dǎo)致脫色率的降低。當(dāng)pH在中性范圍時(shí)，脫色率較高，綜合考慮到對(duì)設(shè)備的腐蝕情況等，所以不需要對(duì)廢水的pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.6 正交實(shí)驗(yàn)

從單因素實(shí)驗(yàn)可以看出對(duì)改性粉煤灰吸附性能影響較大的因素有NaOH與PDMDAAC質(zhì)量比、改性粉煤灰的投加量和溶液pH，故作3因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表6和表7所示。

表6 實(shí)驗(yàn)水平及因素

表7 正交實(shí)驗(yàn)表

從正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，各因素對(duì)模擬廢水脫色率的影響順序依次為：pH>NaOH與PDMDAAC質(zhì)量比>粉煤灰投加量。各因素較佳水平為：NaOH和PDMDAA質(zhì)量比1:1，改性粉煤灰投加量0.6g，溶液pH為8。

3 結(jié)語(yǔ)

改性粉煤灰吸附模擬印染廢水，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)可以得到對(duì)改性粉煤灰吸附性能影響較大的因素有NaOH與PDMDAAC質(zhì)量比、改性粉煤灰的投加量和溶液pH，故選用這三個(gè)變量進(jìn)行三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)。從正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，各因素對(duì)模擬廢水脫色率的影響順序依次為：pH>NaOH與PDMDAAC質(zhì)量比>粉煤灰投加量。各因素較佳水平為：NaOH和PDMDAA質(zhì)量比1:1，改性粉煤灰投加量0.6g，溶液pH為8。