林曼利

1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州，234000 2.宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽宿州，234000

時(shí)間和投加量對(duì)改性粉煤灰吸附廢水中重金屬的影響

林曼利1,2

1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州，234000 2.宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽宿州，234000

利用火法對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性，考察了改性粉煤灰吸附振蕩時(shí)間和投加量對(duì)混合模擬廢水中Fe、Mn、Cu和As四種重金屬去除效果的影響。結(jié)果表明：除Cu外，F(xiàn)e、Mn和As三種重金屬去除率隨振蕩時(shí)間的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，振蕩時(shí)間為180 min時(shí)，模擬廢水中Fe和Mn去除率達(dá)到100%，Cu和As去除率由最大值分別降至89.4%和97.5%。投加量為7 g/50 mL時(shí)，F(xiàn)e和Mn均達(dá)到其最大去除率(分別為90.8%和97.5%)，投加量分別為3 g/50 mL和5 g/50 mL時(shí)，Cu和As達(dá)到最大去除率(分別為94.5%%和94.0%)。

改性粉煤灰；重金屬；吸附時(shí)間；投加量

燃煤電廠粉煤燃燒排放的主要廢棄物粉煤灰在污染環(huán)境的同時(shí)[1]，也可以變廢為寶，利用它粒細(xì)質(zhì)輕、多孔松散和比表面積大的特點(diǎn)，可被廣泛應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域。從目前的研究報(bào)道看，粉煤灰對(duì)生活污水[2-3]、印染廢水[4-5]、造紙廢水[6]、含酚廢水[7-8]、含氟廢水[9-10]、重金屬?gòu)U水[11-14]等有較好的處理效果。然而，粉煤灰直接用作水處理吸附劑時(shí)，存在吸附性能較低、灰水不易分離、重金屬浸出和最終處置難等問(wèn)題。為此，改性粉煤灰在水處理中的應(yīng)用得到普遍關(guān)注。粉煤灰改性就是用物理或化學(xué)方法，打開粉煤灰中封閉的空穴，以提高它的孔隙率及比表面積。相比之下，化學(xué)改性不但能打開空穴，還能通過(guò)酸堿的作用使之生成大量新的微細(xì)小孔，從而增加比表面積和孔隙率，處理廢水的效果也大幅提高。目前，對(duì)粉煤灰的化學(xué)改性方法主要有酸改性、堿改性、鹽改性和混合改性四種。如Hollman[15]、Somerset[16]、Qiu[17]等通過(guò)粉煤灰改性合成沸石，取得了一定的研究成果。從已有研究看，改性粉煤灰多用于處理較高濃度的重金屬?gòu)U水(一般大于10 mg·L-1)[19-24]，對(duì)重金屬微污染廢水研究較少。但近年來(lái)，作為飲用水水源的許多地表水、地下水水源受到微量重金屬的污染十分普遍，對(duì)飲用水的安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響[25]，因此對(duì)重金屬微污染廢水開展水處理研究更具有實(shí)際意義。本文利用火改法對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性，然后用它處理重金屬微污染模擬廢水，考察振蕩吸附時(shí)間和投加量?jī)蓚€(gè)單因素對(duì)重金屬去除率的影響，以期為改性粉煤灰處理重金屬?gòu)U水提供實(shí)驗(yàn)參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

粉煤灰采自宿州市匯源電廠，呈粉末狀、灰色。模擬廢水由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品(GSB 04-1767-2004)多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液經(jīng)稀釋配制而成，其主要參數(shù)列于表1。

表1 模擬廢水主要參數(shù)

注：除pH外，其他指標(biāo)單位均為mg/L。

1.2 試劑和儀器

試劑：無(wú)水Na2CO3(優(yōu)級(jí)純，天津市化學(xué)試劑研究所生產(chǎn))、無(wú)水NaOH(分析純)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品GSB 04-1767-2004多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(標(biāo)準(zhǔn)值100 μg/mL ，相對(duì)擴(kuò)張不確定度：1.4%，介質(zhì)c(HNO3)=2.5 mol/L)、硝酸(優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn))。

儀器：電子天平、pH計(jì)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-2000，天瑞儀器公司生產(chǎn))、旋轉(zhuǎn)振蕩器(HY-5)、高溫箱式爐(KLS-1700X)和控溫電熱板(XMTD-710)等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

粉煤灰的改性采樣火法[26]。取干燥粉煤灰與助熔劑無(wú)水Na2CO3，按照1∶2均勻混合，經(jīng)高溫箱式爐300℃煅燒1 h后自然冷卻，用瑪瑙研缽研碎成粉末狀。稱取一定研磨后的粉煤灰于燒杯中，按固液比1∶10加1 mol/L NaOH溶液混勻，在控溫電熱板上100 ℃烘干，冷卻后研磨成粉末備用。考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)改性粉煤灰處理重金屬?gòu)U水的影響時(shí)，將已制備好的改性粉煤灰5 g分別置于6個(gè)100 mL燒杯中，按固液比1∶10分別在燒杯中加模擬廢水50 mL，用保鮮膜密封嚴(yán)實(shí)，放入旋轉(zhuǎn)振蕩器中速振蕩，每間隔30 min按次序分別取下，經(jīng)中速濾紙過(guò)濾至容量瓶中，用ICP-2000檢測(cè)Fe、Mn、Cu、As重金屬離子含量，并計(jì)算去除率?？疾焱都恿繉?duì)改性粉煤灰處理重金屬?gòu)U水的影響時(shí)，取5個(gè)100 mL燒杯，各放置改性粉煤灰1 g、3 g、5 g、7 g、9 g，分別加入模擬廢水50 mL。振蕩時(shí)間為120 min，考察不同投加量對(duì)四種重金屬離子的去除情況，處理過(guò)程和測(cè)定方法同上。

2 結(jié)果和討論

2.1 吸附時(shí)間對(duì)改性粉煤灰吸附重金屬?gòu)U水的影響

四種重金屬元素隨吸附時(shí)間各自去除情況如圖1所示。由圖1可知，除Cu外，F(xiàn)e、Mn和As三種重金屬去除率總體上隨振蕩時(shí)間的增加而呈增加趨勢(shì)。與震蕩時(shí)間30 min相比，F(xiàn)e和Mn去除率在60 min時(shí)均有所增大，而后出現(xiàn)下降，90～180 min均呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)，且都在180 min時(shí)達(dá)到最大去除率(均為100%)，二者去除率變化趨勢(shì)基本一致。As去除率呈現(xiàn)先增加后減少，而后又增加繼而又減少的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別出現(xiàn)在60 min和150 min?？傮w來(lái)看，As去除率隨振蕩時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。Cu去除率變化區(qū)別于其他三種重金屬，去除率30 min時(shí)就達(dá)到98.1%，至150 min去除率總體上小范圍穩(wěn)步增加(120 min時(shí)有略微下降)，150 min時(shí)達(dá)到100%；但180 min時(shí)，去除率反而降低至89.4%。說(shuō)明隨著振蕩時(shí)間的延長(zhǎng)，Cu又由吸附介質(zhì)浸出回到水溶液中。

滕宗煥用0.5 mol/L Na2CO3、10%Al2(SO4)3和10%FeSO4作為改良劑(體積比3∶2∶3)對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性，考察吸附時(shí)間對(duì)改性粉煤灰處理高濃度重金屬模擬廢水(含Cu 50 mg/L)的影響，結(jié)果表明改性粉煤灰對(duì)Cu2+的吸附隨著吸附時(shí)間的增長(zhǎng)，吸附效果一直呈上升趨勢(shì)，35 min時(shí)Cu2+去除率達(dá)到99.29%，基本達(dá)到吸附飽和[23]，去除結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。呂志江[24]利用混合酸對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性，考察了初始濃度(10～100 mg/L)對(duì)Cd2+、Pb2+和Cu2+去除率的影響，結(jié)果表明去除率隨廢水濃度的升高而降低，最佳吸附范圍為10～40 mg/L。可見，對(duì)于模擬廢水中Cu原始含量對(duì)去除效果、達(dá)到吸附飽和時(shí)間都有一定影響。

圖1 振蕩時(shí)間與去除率的相關(guān)曲線

振蕩時(shí)間為180 min時(shí)，水樣中Fe和Mn均未檢出，二者去除率達(dá)到100%；Cu和As去除率均出現(xiàn)下降，最終去除率分別為89.4%和97.5%。以上結(jié)果表明，當(dāng)利用改性粉煤灰處理重金屬?gòu)U水時(shí)，對(duì)某些離子來(lái)說(shuō)，并非振蕩吸附時(shí)間越長(zhǎng)越好，而應(yīng)根據(jù)具體處理對(duì)象合理設(shè)置振蕩時(shí)間。

2.2 投加量對(duì)改性粉煤灰處理重金屬?gòu)U水的影響

四種重金屬的去除情況見圖2所示。由圖2可知，振蕩時(shí)間一定(120 min)時(shí)，隨著吸附質(zhì)投加量的增加，四種重金屬去除率均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，投加量為3 g時(shí)，四種元素去除率均得到大幅度提高。Fe在投加量為1 g/50 mL時(shí)，去除率為負(fù)值，此時(shí)水溶液中Fe含量不減少反而增加，說(shuō)明粉煤灰中已有Fe向水溶液浸出，而后隨投加量的增加去除率不斷增加(投加量3～7 g/50 mL時(shí))，投加量為9 g/50 mL時(shí)，去除率有所下降，但總體去除率下降幅度較小。這可能是由于粉煤灰本身Fe含量一般較高[27]或改性過(guò)程中化學(xué)鍵的破裂所致[28]。Mn和As在振蕩吸附時(shí)間一定的情況下，隨著改性粉煤灰投加量的增大，總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，二者分別在投加量為7 g/50 mL和5 g/50 mL時(shí)達(dá)到最大去除率(97.5%和94.0%)，但之后有極小幅度的下降。Cu去除率隨投加量增加出現(xiàn)先大幅度增加(3 g/50 mL時(shí))而后小范圍減少，在9 g/50 mL時(shí)有少量的增加。

圖2 投加量與去除率的相關(guān)曲線

同樣，滕宗煥的研究結(jié)果表明，投加量為0.5 g/100 mL時(shí)，Cu2+去除率達(dá)到穩(wěn)定[23]。在本實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)于重金屬微污染廢水(濃度小于2 mg/L)，改性粉煤灰投加量為5 g/50 mL時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定，這可能是由于與前者模擬廢水濃度不同(模擬廢水中Cu2+含量為50 mg/L)和粉煤灰改性方法不同所致。投加量為9 g時(shí)，F(xiàn)e、Mn、Cu和As四種重金屬最終去除率分別為89.6%、97.3%、91.1%和92.3%。在該實(shí)驗(yàn)條件下，投加量為7 g時(shí)，F(xiàn)e、Mn、Cu和As去除率總體較為理想。Fe和Mn均達(dá)到最大去除率，去除率分別為90.8%和97.5%；As去除率達(dá)到92.9%(僅次于5 g/50 mL時(shí)的94.0%)；Cu的去除率盡管沒有達(dá)到最大值，但總體去除率仍較好(89.4%)。

3 結(jié) 論

(1)反應(yīng)時(shí)間和投加量影響改性粉煤灰處理重金屬微污染廢水的處理效率。Fe、Mn和As去除率隨振蕩時(shí)間的增加而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

(2)投加量為7 g /50 mL時(shí)，F(xiàn)e、Mn、Cu和As去除率均較理想，其中Fe和Mn均達(dá)到最大去除率，去除率分別為90.8%和97.5%，Cu和As去除率雖未達(dá)到其最大值，但仍保持在較高水平。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

2014-10-18

宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心開放課題“許疃煤礦32塊段出水水源識(shí)別”(2012YKF16)；安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究一般項(xiàng)目“淮北煤田水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐旨八牡刭|(zhì)圖編制”(KJ2013B291)；宿州學(xué)院優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目“改性粉煤灰處理重金屬?gòu)U水研究”(2013XQRL05)。

林曼利(1984-)，女，安徽宿州人，碩士，助教，主要研究方向：水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.12.026

X703

A

1673-2006(2014)12-0088-04