姚輝梅，溫德運(yùn)，王壽海，王升水，王詩(shī)漢，謝福洋

（龍巖學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院，福建 龍巖 364012）

改性粉煤灰對(duì)含鉛廢水的吸附研究

姚輝梅，溫德運(yùn)，王壽海，王升水，王詩(shī)漢，謝福洋

（龍巖學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院，福建 龍巖 364012）

通過(guò)對(duì)粉煤灰的硫酸改性得到酸改性粉煤灰，用其對(duì)含鉛模擬廢水進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，探討改性的最佳條件，并在最佳改性條件下制得改性粉煤灰，研究改性粉煤灰投加量、吸附時(shí)間、吸附溫度以及pH值對(duì)Pb2+吸附效果的影響。結(jié)果表明，在投加量為10 g/L，吸附時(shí)間為50 m in，吸附溫度為50℃，pH=6時(shí)，改性粉煤灰對(duì)40μg/m L的Pb2+的去除率可達(dá)90．34%，能夠較好的去除廢水中的Pb2+。

粉煤灰；改性；吸附；Pb2+;廢水

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，重金屬污染廢水大量排放，重金屬進(jìn)入水體后難以被生物降解，并可通過(guò)生物鏈富集，危害人體健康。據(jù)資料報(bào)道，我國(guó)每年缺水超過(guò)300億噸。因此，重金屬污染廢水己經(jīng)得到了人們廣泛的重視[1]。鉛是作用于人體全身系統(tǒng)和器官的累積性毒物，主要積累于神經(jīng)、造血、消化、心血管等系統(tǒng)和腎臟，鉛污染不僅影響人體健康，而且影響兒童智力的發(fā)育[2]。蓄電池、冶煉、五金、機(jī)械和電鍍工業(yè)等部門(mén)排放的廢水是環(huán)境鉛污染的主要來(lái)源，此外還有燃煤、油漆涂料的污染[3]。

含重金屬?gòu)U水常用的處理方法主要有化學(xué)沉淀法、氧化還原法、離子交換、吸附法、膜分離法、生物法等。到目前為止吸附法應(yīng)用最廣，其中應(yīng)用較多的吸附劑有膨潤(rùn)土、有機(jī)膨潤(rùn)土以及活性炭[4]等。但活性炭成本較高，所以新型價(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)[5]。

粉煤灰是燃煤電廠的固體廢棄物，它的堆存不僅占用大量的耕地，而且危害人體健康和生態(tài)環(huán)境。由于粉煤灰價(jià)格低廉，其主要成分Al2O3、SiO2、Fe2O3占70%左右，CaO和MgO含量較少，具有表面疏松多孔、顆粒細(xì)小、比表面積大、吸附性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，以及富含某些對(duì)廢水處理有利的化學(xué)成分，可產(chǎn)生助凝、沉淀等效果，使其在廢水處理方面顯示出較好的應(yīng)用前景，所以利用粉煤灰的吸附性能處理廢水，既可以變害為利，又具有一定的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[6-8]。粉煤灰處理含重金屬離子廢水主要是通過(guò)吸附作用(物理吸附和化學(xué)吸附)，但由于粉煤灰吸附容量并不高，對(duì)其進(jìn)行改性，使其更適于廢水處理就顯得非常重要。經(jīng)酸處理后的粉煤灰顆粒表面變得粗糙，顆粒表面出現(xiàn)了許多大的孔洞，增加了顆粒的比表面積，根據(jù)廢水處理的吸附理論，吸附劑比表面積越大，吸附效果越好。因此，經(jīng)酸改性的粉煤灰的吸附能力較改性前強(qiáng)[9]。本文主要研究硫酸對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性，得到改性粉煤灰，對(duì)水中Pb2+進(jìn)行吸附，探討其最佳改性條件及最佳吸附條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器及試劑

320目篩；PHS-3CT型數(shù)字pH計(jì)（上海偉業(yè)儀器廠）；WFJ2000型可見(jiàn)分光光度計(jì)（尤尼柯（上海）儀器有限公司）；DT2T-9076A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；SHB-III型循環(huán)水真空泵（河南省予華儀器有限公司）；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器。

粉煤灰；硫酸（AR）；醋酸（AR）；NaOH；二甲酚橙；硝酸鉛。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1．2．1 粉煤灰的預(yù)處理

將粉煤灰過(guò)320目篩，用蒸餾水洗凈后，在110℃下烘干，研磨，封存?zhèn)溆谩?/p>

1．2．2 模擬廢水的配制

稱(chēng)取0.0806 g的硝酸鉛，加入到燒杯中加水溶解，轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中，潤(rùn)洗燒杯3次，潤(rùn)洗液加入到容量瓶中，稀釋到刻度，配成0.5 mg/mL的鉛離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，使用時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋成40μg/mL的模擬廢水。

1．2．3 二甲酚橙(1．0 g/L)的配制

用分析天平稱(chēng)取0.1000 g的二甲酚橙，加入燒杯中，加少量蒸餾水水溶解，轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中，潤(rùn)洗燒杯3次，潤(rùn)洗液加入到容量瓶中，稀釋至刻度。

1．2．4 醋酸-醋酸鈉緩沖溶液(pH 6．0)的配制

用濃度為0.04 mol/L的醋酸和0.2 mol/L NaOH溶液在酸度計(jì)上調(diào)至pH=6.0。

1．2．5 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

本實(shí)驗(yàn)用Pb-XO配合物顯色光度法測(cè)定鉛[10]，吸取0.5 mg/mL的鉛離子標(biāo)準(zhǔn)液20 mL于100 mL容量瓶中，加水稀釋至刻度，搖勻，得濃度為100 μg/mL的鉛溶液，分別吸取100μg/mL的鉛溶液0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL，放入6個(gè)100 mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋定容。分別移取25 mL上述Pb2+標(biāo)準(zhǔn)溶液于6個(gè)50 mL比色管中，再往每個(gè)比色管中依次加入1.0 g/L二甲酚橙1 mL，pH 6.0的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液2.00 mL，用水稀釋至刻度，搖勻，用l cm的比色皿于580 nm波長(zhǎng)處測(cè)定體系的吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1所示。

1．2．6 改性粉煤灰的制備

圖1 鉛標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

稱(chēng)取一定量的預(yù)處理后的粉煤灰，投入一定量硫酸（濃度由文獻(xiàn)和綜合實(shí)驗(yàn)確定），在不同的酸濃度，改性溫度，改性時(shí)間處理后，抽濾，用去離子水將粉煤灰反復(fù)清洗，至中性，在烘箱中高溫烘干，然后將烘干后的粉煤灰加入40μg/mL鉛離子模擬廢水中，進(jìn)行吸附反應(yīng)，粉煤灰吸附實(shí)驗(yàn)完成后，取上層清液過(guò)濾，將濾液按繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)所用的方法，用Pb-XO配合物顯色光度法測(cè)定殘余Pb2+濃度，計(jì)算去除率，從而確定最佳改性工藝。然后按照最佳的改性工藝條件制備足量的改性粉煤灰，備用。

1.2.7 改性粉煤灰吸附含Pb2+模擬廢水

用改性后的粉煤灰投入40μg/mL模擬廢水中，先固定其它因素，分別在不同粉煤灰投加量、吸附溫度、吸附時(shí)間以及溶液pH值下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，將處理后的模擬廢水，取上層清液過(guò)濾，將濾液按繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)所用的方法，用Pb-XO配合物顯色光度法測(cè)定殘余Pb2+濃度，計(jì)算去除率，并討論各因素對(duì)Pb2+去除率的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳改性條件的確定

2.1.1 最佳改性的酸濃度的確定

在室溫下，往7個(gè)50 mL的燒杯中，加入10 g未改性粉煤灰，再分別加入20 mL濃度為0、0.5、1、1.5、2、2.5、3 mol/L的硫酸，控制相同的攪拌速度，攪拌60 min，蒸餾水洗至中性，110℃下烘干，得不同酸濃度改性后的粉煤灰，分別取上述改性后的粉煤灰0.5 g于7個(gè)100 mL燒杯中，依次加入50 mL 40μg/mL的Pb2+模擬廢水，進(jìn)行吸附反應(yīng)，pH中性，常溫下靜置吸附1h，取上層清液過(guò)濾，將濾液按繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)所用的方法，用Pb-XO配合物顯色光度法測(cè)定殘余Pb2+濃度，計(jì)算去除率，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)改性的硫酸濃度為1 mol/L，改性的粉煤灰對(duì)鉛離子模擬廢水的吸附效果最好，達(dá)到93.12%；而后隨著硫酸濃度的增大，相應(yīng)改性的粉煤灰對(duì)鉛離子模擬廢水的吸附效果越來(lái)越差。說(shuō)明粉煤灰中的Fe3+，Al3+等在酸濃度為1 mol/L時(shí)釋放的要比其它濃度更多，粉煤灰的表面更為粗糙，改性較為徹底。固可確定此時(shí)的硫酸濃度為改性的最佳酸濃度。

2.1.2 最佳改性時(shí)間的確定

在室溫下，往5個(gè)50 mL的燒杯中，分別加入10 g未改性粉煤灰，再分別加入濃度為0.5 mol/L的硫酸20 mL，攪拌速度一定，活化時(shí)間分別為1、4、8、12、24 h，然后用蒸餾水水洗至中性，110℃下烘干，得到不同活化時(shí)間改性后的粉煤灰，分別取上述粉煤灰0.5 g于5個(gè)100 mL燒杯中，再依次加入50 mL 40μg/mL的Pb2+模擬廢水，進(jìn)行吸附反應(yīng)，pH中性，常溫下靜置吸附1 h，取上層清液過(guò)濾，將濾液按繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)所用的方法，用Pb-XO配合物顯色光度法測(cè)定殘余Pb2+濃度，計(jì)算去除率，結(jié)果如圖3所示。

圖2 酸的濃度對(duì)鉛去除率的影響

圖3 改性時(shí)間對(duì)鉛去除率的影響

從圖3可以看出，鉛離子去除率隨改性時(shí)間增大呈上升趨勢(shì)，當(dāng)改性時(shí)間為12 h時(shí)改性粉煤灰的對(duì)鉛離子的吸附率最大，而后基本保持不變，說(shuō)明活化已經(jīng)完全，可以確定最佳改性時(shí)間為12 h。

2.1.3 最佳改性溫度的確定

往7個(gè)50mL的燒杯中，分別加入10 g未改性粉煤灰，濃度為0.5mol/L的硫酸20 mL，攪拌12 h，攪拌速度一定，活化溫度為30、40、50、60、70、80℃，蒸餾水水洗至中性，110℃下烘干，得不同活化時(shí)間改性后的粉煤灰，分別取上述粉煤灰0.5 g于7個(gè)100 mL燒杯中，再依次加入50 mL 40μg/mL的Pb2+模擬廢水，進(jìn)行吸附反應(yīng)，pH中性，常溫下靜置吸附1h，取上層清液過(guò)濾，將濾液按繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)所用的方法，用Pb-XO配合物顯色光度法測(cè)定殘余Pb2+濃度，計(jì)算去除率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 改性溫度對(duì)鉛去除率的影響

從圖4可以看出，鉛離子去除率隨改性溫度增大呈上升趨勢(shì)，去除率在89.29%到91.71%變化，當(dāng)溫度達(dá)到60℃后基本沒(méi)有變化，說(shuō)明隨著溫度的升高粉煤灰改性得越來(lái)越徹底，當(dāng)溫度達(dá)到60℃基本活化完全，可以確定最佳改性溫度為60℃。

2.2 最佳吸附條件的確定

2.2.1 粉煤灰投加量的影響

在室溫下，往10個(gè)100 mL的燒杯中分別加入50 mL 40μg/mL的模擬廢水，粉煤灰投加量在2～20 g/L之間變化，pH中性，吸附1 h，吸附完成后，取上層清液于漏斗中過(guò)濾，將濾液取出，用Pb-XO配合物顯色光度法測(cè)定殘余Pb2+濃度，計(jì)算去除率，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出隨著粉煤灰投加量的增加，鉛的去除率也增加，當(dāng)50 mL的模擬廢水中加入改性粉煤灰量為0.5 g時(shí)(即投加量為10 g/L時(shí))去除率達(dá)到最大，而后改性粉煤灰的量再增大去除率基本不再升高，基本達(dá)到了去除目的，說(shuō)明粉煤灰的吸附量是有限的，而且此時(shí)其吸附量達(dá)到極限，因此可以確定粉煤灰的最佳投加量為10 g/L。

2.2.2 吸附時(shí)間的影響

在室溫下，往6個(gè)100 mL的燒杯中分別加入50 mL 40μg/mL的模擬廢水，加入最佳的改性粉煤灰0.5 g，吸附時(shí)間在10～60 min之間變化，pH中性，吸附完成后，取上層清液于漏斗中過(guò)濾，將濾液取出，用Pb-XO配合物顯色光度法測(cè)定殘余Pb2+濃度，計(jì)算去除率，結(jié)果如圖6所示。

圖5 粉煤灰投加量對(duì)鉛去除率的影響

圖6 吸附時(shí)間對(duì)鉛去除率的影響

從圖6可以看出，當(dāng)吸附時(shí)間小于50 min時(shí)，隨吸附時(shí)間的增大，鉛去除率也隨著增大，當(dāng)吸附時(shí)間為50 min時(shí)，去除率達(dá)到最大（達(dá)到93.41%），而后隨時(shí)間的變化去除率不再升高，說(shuō)明吸附時(shí)間為50 min時(shí)改性粉煤灰的吸附量基本達(dá)到飽和，因此可以確定最佳吸附時(shí)間為50 min。

2.2.3 吸附溫度的影響

往7個(gè)100 mL的燒杯中分別加入50 mL 40μg/mL的模擬廢水，加入改性粉煤灰0.5 g，使吸附溫度在20～80℃之間變化，pH中性，吸附50 min，吸附完成后，取上層清液于漏斗中過(guò)濾，將濾液取出，用Pb-XO配合物顯色光度法測(cè)定殘余Pb2+濃度，計(jì)算去除率，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，吸附溫度在20℃～80℃之間變化時(shí)去除率的變化波動(dòng)并不大，這就說(shuō)明溫度對(duì)顆粒吸附劑去除含鉛廢水的影響不大。其原因是，用粉煤灰處理含鉛廢水主要是離子交換和表面絡(luò)合起作用[11]，溫度升高使溶液中的離子運(yùn)動(dòng)速度加快，促進(jìn)了離子的交換反應(yīng)。此外，溫度升高，水分蒸發(fā)量增大，對(duì)去除率也有一定影響，所以可選擇在室溫下對(duì)廢水進(jìn)行處理。我們可以確定室溫為最佳的吸附溫度。

2.2.4 pH的影響

在室溫下，往7個(gè)50 mL的燒杯中分別加入50 mL 40μg/mL的模擬廢水，用緩沖試劑將廢水的pH調(diào)試在3到9之間變化，然后加入粉煤灰0.5 g，吸附50 min，吸附完成后，取上層清液于漏斗中過(guò)濾，將濾液取出，用Pb-XO配合物顯色光度法測(cè)定殘余Pb2+濃度，計(jì)算去除率，結(jié)果如圖8所示。

圖7 吸附溫度對(duì)鉛去除率的影響

圖8 pH對(duì)鉛去除率的影響

從圖8可以看出，隨pH的升高，鉛離子的去除率也隨著升高，pH在5～7時(shí)，去除率變化不大，繼續(xù)增大pH則鉛離子的去除率會(huì)下降，過(guò)多的H+會(huì)與金屬離子產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)作用，所以隨著H+的減少，吸附量會(huì)逐漸增加[12]，但pH較高時(shí)，會(huì)引起金屬離子水解，不利于吸附，故吸附效果較差，可確定最佳pH為6。

2.3 改性與未改性粉煤灰的吸附效果比較

在室溫下，往2個(gè)100 mL的燒杯中分別加入50 mL 40μg/mL的模擬廢水，用緩沖試劑將廢水的pH調(diào)試為pH=6，然后其中一個(gè)加入未改性的粉煤灰0.5 g，另一個(gè)加入改性的粉煤灰0.5 g，吸附分別為50 min，吸附完成后，取上層清液于漏斗中過(guò)濾，將濾液取出，用Pb-XO配合物顯色光度法測(cè)定殘余Pb2+濃度，計(jì)算去除率，結(jié)果如圖9所示。

圖9 最佳條件下改性與為改性粉煤灰的吸附效果比較

從圖9可以看出，改性粉煤灰與未改性粉煤灰在相同的吸附條件下，都對(duì)鉛離子具有吸附，改性后的粉煤灰去除率高達(dá)90.34%，比未改性粉煤灰高了18.49%，說(shuō)明改性后的粉煤灰具有較好的吸附效果。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：證明了改性粉煤灰確有較高的吸附活性，可以作為處理含鉛離子廢水的處理劑使用；硫酸改性粉煤灰的最佳改性條件為：硫酸濃度1 mol/L，改性的時(shí)間12 h，改性的溫度60℃；改性后的粉煤灰對(duì)鉛的最佳吸附條件為：粉煤灰投加量10 g/L，吸附時(shí)間50 min，吸附溫度室溫，pH為6,對(duì)40μg/mL的Pb2+的去除率可達(dá)90.34%。

通過(guò)硫酸改性粉煤灰，在相同條件下，能將粉煤灰對(duì)含鉛離子廢水的吸附效率提高近20%，為我們治理工業(yè)廢水中的鉛離子提供更有效的方法。酸改性粉煤灰在鉛離子吸附飽和后可以不進(jìn)行再生處理，同時(shí)原料來(lái)源豐富，操作簡(jiǎn)單，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，改性粉煤灰在處理含鉛廢水中有著廣闊的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Research on M odified Fly Ash Treatment of Lead(Ⅱ)-bearing W astewater

YAO Hui-mei,WEN De-yun,WANG Shou-hai,WANG Sheng-shui,WANG Shi-han,XIE Fu-yang
(College of Chemistry and Material,Longyan University,Longyan 364012,China)

Fly ash wasmodified by sulfuric acid.Adsorption of Pb2+from simulation solution bymodified fly ash was investigated.The optimum condition of themodification was discussed and themodified fly ash was prepared.The factors influencing the removal rate of Pb2+,such as dosage ofmodified fly ash,adsorption time,adsorption temperature,pH value and temperaturewere researched.The experiment results showed that the removal rate of Pb2+reach to 90.34%,the solid liquid ratio is 10g/L,adsorption time is 50min,adsorption temperature is 50℃,pH=6,when Pb2+concentration at 40ug/m L,it can better remove Pb2+from wastewater.

fly ash;modify;adsorption;Pb2+;wastewater

X 703

A

1673-4343（2014）02-0062-06

2014-02-28

姚輝梅，女，江西吉安人，講師。研究方向：復(fù)合材料。