粉煤灰吸附處理高濃度有機(jī)廢水實(shí)驗(yàn)研究

李麥玲

（山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030009）

0 引言

水是人類和其他生物賴以生存的關(guān)鍵自然資源。在人類生活和社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展中，不可避免地會(huì)伴隨產(chǎn)生一定量的生活污水和工業(yè)廢水，而這些污水廢水，會(huì)對(duì)生活環(huán)境造成嚴(yán)重污染。在社會(huì)實(shí)踐中，治理污水和廢水最常見(jiàn)的是化學(xué)處理法[1]?；瘜W(xué)處理法就是利用化學(xué)反應(yīng)來(lái)分離、回收污水廢水中的污染物，或?qū)⑽廴疚镛D(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害物，使水質(zhì)得到凈化。粉煤灰是一種固體廢棄物，是煤粉高溫燃燒后的伴生品，主要由兩大部分組成：飛灰和底灰[2]。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年排放的粉煤灰利用率只有30%，其余的70%粉煤灰利用不充分[3]。為提高資源利用率，本文將以粉煤灰為主開(kāi)展其對(duì)高濃度有機(jī)廢水的處理實(shí)驗(yàn)研究。具體闡述如下。

1 粉煤灰理化性質(zhì)研究

粉煤灰是煤炭經(jīng)燃燒并冷卻后所排放出的伴生品，粉煤灰是在高溫條件下的產(chǎn)品，其成分較多，結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜。據(jù)分析，粉煤灰是一種混合體，主要成分包括有結(jié)晶體、玻璃體以及少量未燃盡的碳粒[4]。也就是說(shuō)，粉煤灰的結(jié)構(gòu)可以近似看作復(fù)合結(jié)構(gòu)。結(jié)晶體的主要成分是莫來(lái)石、石英、赤鐵礦以及無(wú)水石膏等；玻璃體的主要成分是玻璃體球，它的結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則而且表現(xiàn)為疏松多孔的狀態(tài)；未被充分燃燒的碳粒主要表現(xiàn)為疏松多孔的結(jié)構(gòu)。

從外觀來(lái)看，粉煤灰以乳白色、灰黑色為主要特征，其與水泥的表觀相似。其物理特性見(jiàn)表1。

表1 粉煤灰基本物理性質(zhì)

從化學(xué)組成層面分析，粉煤灰化學(xué)成分以氧化硅和氧化鋁為主，另外還含有氧化鐵、氧化鈣等氧化物；除此之外，還含有一定未能完全燃燒的碳粒。

2 實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)的主要目的是對(duì)采用粉煤灰處理有機(jī)廢水的效果展開(kāi)深入研究。本實(shí)驗(yàn)中所用到的原材料粉煤灰屬于濕灰，取自于火電廠的貯灰場(chǎng)，該粉煤灰外觀顏色表現(xiàn)為灰色，顆粒細(xì)小均勻。實(shí)驗(yàn)中所用到的有機(jī)廢水是實(shí)驗(yàn)室的高濃度有機(jī)廢水，參照有機(jī)廢水實(shí)際情況，將高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行10 倍稀釋，經(jīng)稀釋后有機(jī)廢水的pH 值為9.5，吸光度為1.403，顏色為淺黃色。結(jié)合粉煤灰處理高濃度有機(jī)廢水的實(shí)驗(yàn)方法，需要提前準(zhǔn)備如表2 所示的實(shí)驗(yàn)儀器和試劑。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，來(lái)自電廠的粉煤灰還需要進(jìn)行預(yù)處理。具體處理粉煤灰要用到五種不同目數(shù)的分樣篩，包括180、140、120、100、80 目，在干燥的燒杯中儲(chǔ)存過(guò)篩后得到的粒徑大小不等的粉煤灰，并在燒杯外壁貼上相應(yīng)標(biāo)簽，以備后續(xù)使用。

在上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作完成后，即可展開(kāi)粉煤灰對(duì)有機(jī)廢水的吸附實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是對(duì)吸附平衡時(shí)間進(jìn)行測(cè)定。然后展開(kāi)粉煤灰處理有機(jī)廢水的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是對(duì)粉煤灰的投加量、溫度、pH 值以及粒度所對(duì)應(yīng)的吸附效果的影響程度展開(kāi)研究。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 吸附平衡時(shí)間確定

取20 g 粉煤灰樣品放置于錐形瓶?jī)?nèi)，將預(yù)先準(zhǔn)備好的稀釋10 倍的200 mL 有機(jī)廢水加入其中，在室溫下振蕩錐形瓶，取樣間隔時(shí)間為10 min，取樣7 次，測(cè)定并記錄下每次粉煤灰吸附量，由此判斷粉煤灰吸附有機(jī)廢水的平衡時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 吸附量隨吸附時(shí)間的變化

圖1 實(shí)驗(yàn)表明，粉煤灰對(duì)有機(jī)廢水吸附量在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后有一個(gè)快速增長(zhǎng)的過(guò)程，吸附量會(huì)隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)而增加；同時(shí)，當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到40 min 時(shí)，吸附曲線趨于平行，對(duì)應(yīng)的粉煤灰的吸附量處于相對(duì)平衡狀態(tài)。因此，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)得出粉煤灰吸附有機(jī)廢水的平衡時(shí)間為40 min。

3.2 有機(jī)廢水靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)研究

在對(duì)有在有機(jī)廢水處理中，當(dāng)選擇吸附劑為粉煤灰后，影響吸附效果的主要因素有粉煤灰的投加量、粉煤灰的粒度以及有機(jī)廢水的酸堿度及反應(yīng)溫度等多種因素[5]。關(guān)于上述因素，本小節(jié)進(jìn)行了研究。

3.2.1 粉煤灰投加量實(shí)驗(yàn)分析

以粉煤灰投加量對(duì)有機(jī)廢水的吸附作用為例，取先前備好的有機(jī)廢水100 mL 分別加入6 個(gè)250 mL的錐形瓶中，再依次加入粉煤灰5、10、15、20、25、30 g；上述6 組實(shí)驗(yàn)分別在室溫條件下振蕩40 min，振蕩后收集上清液，測(cè)定不同粉煤灰投加量所對(duì)應(yīng)的吸附率，如圖2 所示。

圖2 投加量與吸附效果之間的關(guān)系

圖2 實(shí)驗(yàn)表明，吸光度去除率在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)有一個(gè)快速增長(zhǎng)的過(guò)程，吸光度去除率越高，吸附效果越好。從實(shí)驗(yàn)曲線可以看出，粉煤灰對(duì)有機(jī)廢水的吸附效果與粉煤灰投加量正相關(guān)；其中，當(dāng)粉煤灰的投加量從5 g 增加到10 g 時(shí)，即粉煤灰濃度從0.05 g/mL增加到0.1 g/mL時(shí)，有機(jī)廢水吸光度去除率顯著增加，有機(jī)廢水處理效果激增。而當(dāng)粉煤灰投加量再繼續(xù)增加，濃度超過(guò)0.1 g/mL 以后，吸附效果并沒(méi)有明顯提升。因此，為兼顧整體的吸附效果和粉煤灰投加成本，應(yīng)將粉煤灰投加量與有機(jī)廢水的投加量比例控制在1∶10，由此得出結(jié)論，粉煤灰投加量最佳值為0.1 g/mL。

3.2.2 pH 值對(duì)吸附效果的影響

向5 個(gè)250 mL 的錐形瓶中分別加入先前備好的100 mL 的有機(jī)廢水，并分別加入10 g 粉煤灰，將上述5 組實(shí)驗(yàn)樣品pH 值分別調(diào)至3.0、5.0、7.0、9.0 和11.0；將以上5 組實(shí)驗(yàn)分別在室溫條件下振蕩40 min，振蕩后收集上清液，測(cè)定不同粉煤灰投加量所對(duì)應(yīng)的吸附率，如圖3 所示。

圖3 pH 值與吸光度去除率之間的關(guān)系

圖3 實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)pH 值小于7 時(shí)，即在酸性環(huán)境下，吸附效果會(huì)隨著pH 值增大而不斷提升；當(dāng)pH值大于等于7 時(shí)，即在中性和堿性環(huán)境下，pH 值增大對(duì)吸附效果沒(méi)有影響。由此得出結(jié)論，中性環(huán)境下，粉煤灰對(duì)有機(jī)廢水的吸附效果最好，pH 值應(yīng)設(shè)定為7。

同樣，在粉煤灰對(duì)有機(jī)廢水的處理研究中，分別進(jìn)行了反應(yīng)溫度和粉煤灰粒度對(duì)吸附效果產(chǎn)生影響的實(shí)驗(yàn)。最終得出結(jié)論，反應(yīng)溫度以25 ℃為最佳，粉煤灰粒徑大小以180 目為最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

有機(jī)廢水為工業(yè)生產(chǎn)生活中不可避免產(chǎn)生的廢水，其處理不當(dāng)會(huì)加劇環(huán)境的二次污染；粉煤灰是煤炭高溫燃燒后的伴生品，我國(guó)作為煤炭大國(guó)粉煤灰產(chǎn)量較大，但是僅有30%得到利用。為此，本文開(kāi)展了采用粉煤灰對(duì)有機(jī)廢水進(jìn)行吸附的實(shí)驗(yàn)研究，為后續(xù)粉煤灰對(duì)有機(jī)廢水的治理奠定理論基礎(chǔ)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，粉煤灰處理有機(jī)廢水最佳參數(shù)為：粉煤灰的投加量為0.1 g/mL，pH 值為7，反應(yīng)溫度為25 ℃，粉煤灰粒徑為180 目。