李俊生，李 爽，劉志維，左金龍

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)環(huán)境工程系，哈爾濱150076;2.黑龍江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，哈爾濱150056)

我國火力發(fā)電廠產(chǎn)生的粉煤灰主要由氧化硅、氧化鎂、氧化鋅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鈉以及硫、鐵、錳、磷的氧化物等組成，其外觀與普通水泥相似.

粉煤灰密度小，比表面積大，在其表面空隙較多，是一種多孔性的碳粒，在碳粒的內(nèi)部有莫來石、石英等硅酸鹽和玻璃體，其表面存在著大量的Si－O－Si鍵，遇水后，可在粉煤灰表面形成羥基，使粉煤灰具有親水性、吸附性和表面化學(xué)活性[1－2].

因其具有孔隙多、比表面積大和鋁硅等活性位點(diǎn)，使得粉煤灰具有一定的吸附、沉降和絮凝能力，在污廢水處理中得到了廣泛的應(yīng)用[3－6].本文通過不同試劑對粉煤灰的進(jìn)行改性，并對其處理污廢水中的氨氮的條件進(jìn)行優(yōu)化.

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)中所用到的藥品均為分析純.

實(shí)驗(yàn)用粉煤灰取自哈爾濱市某熱電廠，利用碳酸鈉、氫氧化鈉和濃硫酸對粉煤灰進(jìn)行改性，并利用改性粉煤灰對自配污水中的氨氮進(jìn)行去除.

2 粉煤灰的改性

2.1 碳酸鈉對粉煤灰改性

按粉煤灰和碳酸鈉的質(zhì)量濃度配比，分別取1∶0.25、1∶0.5、1∶0.75、1∶0.9、1∶1 的 5 個(gè)不同質(zhì)量濃度配比的混合物，置于坩堝中，攪拌均勻，然后將其置于溫度為880℃的馬弗爐中，煅燒2 h，煅燒完畢后再保溫2 h.分別取改性粉煤灰2 g置于250 mL錐形瓶中，加入100 mL質(zhì)量濃度為20.2 mg/L的氨氮模擬廢水，用水浴恒溫振蕩器振蕩攪拌30 min，離心過濾，取濾液進(jìn)行分析測定.如圖1所示.

圖1 碳酸鈉質(zhì)量濃度與氨氮去除率關(guān)系

由圖1可以看出，改性粉煤灰對氨氮的去除率隨碳酸鈉質(zhì)量濃度的升高而逐漸增加，并在質(zhì)量濃度比為1∶0.9時(shí)達(dá)到最高的去除率約29.3%，但在其比例為1∶1時(shí)，氨氮去除率下降，經(jīng)分析為改性后的粉煤灰可能對其他陽離子存在交換潛力，導(dǎo)致了其去除能力下降.

2.2 氫氧化鈉對粉煤灰改性

分別配制濃度為 0、1、2、3、5、7 mol/L 的氫氧化鈉溶液各200 mL，各加入預(yù)處理后粉煤灰30 g，設(shè)定溫度為90℃，恒溫?cái)嚢? h，再用蒸餾水將粉煤灰清洗至中性，減壓抽濾后烘干，過100目篩，置于密封袋備用.分別取改性粉煤灰2 g置于250 mL錐形瓶中，加入100 mL質(zhì)量濃度為20.2 mg/L的氨氮模擬廢水，用水浴恒溫振蕩器振蕩攪拌30 min，離心過濾，取濾液進(jìn)行分析測定.如圖2所示.

由圖2可知.在氫氧化鈉濃度為3 mol/L時(shí)，氨氮的去除率達(dá)到最大值，為65.4%.氫氧化鈉破壞了粉煤灰的硅氧鍵、鋁氧鍵，釋放出大量的活性基團(tuán)，并促使了粉煤灰形成了鈉型沸石，從而提高了其吸附性能，隨著氫氧化鈉濃度的不斷升高，改性效果越來越好，氨氮去除率的不斷提高，但當(dāng)氫氧化鈉濃度提高至5 mol/L時(shí)，粉煤灰對氨氮的去除率有所下降，這是因?yàn)椋勖夯抑荒懿糠趾铣煞惺?，氫氧化鈉過量會破壞粉煤灰及所形成的沸石中的一些活性成分.

圖2 氫氧化鈉濃度與氨氮去除率關(guān)系

2.3 硫酸對粉煤灰改性

配制濃度分別為 1、2、3、4、5 mol/L 的硫酸溶液，稱取預(yù)處理后的粉煤灰各30 g，加入200 mL不同濃度的硫酸溶液中，設(shè)定溫度為90℃，固定轉(zhuǎn)速，用磁力攪拌器攪拌4 h.反應(yīng)結(jié)束后，再用蒸餾水清洗至中性，減壓抽濾，于100℃烘箱中烘24 h，置于密封袋備用.取各濃度硫酸改性后的粉煤灰2 g分別置于250 mL錐形瓶中，加入質(zhì)量濃度為20.2 mg/L的氨氮模擬廢水100 mL，然后用固定磁力攪拌器攪拌30 min，離心過濾，取濾液分析測定.經(jīng)測定，利用硫酸對粉煤灰進(jìn)行改性并沒有提高其對氨氮的去除效果.

上述實(shí)驗(yàn)可知，用氫氧化鈉對粉煤灰進(jìn)行改性，對粉煤灰去除水中的氨氮由比較好的促進(jìn)作用.

3 改性粉煤灰處理?xiàng)l件優(yōu)化

3.1 正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

利用正交試驗(yàn)的方法，對改性粉煤灰處理水中氨氮的條件進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)中選擇改性粉煤灰投加量，溶液pH值，攪拌時(shí)的溫度，反應(yīng)攪拌時(shí)間四個(gè)因素，不考慮每個(gè)因素之間的交互作用，每個(gè)因素選擇三個(gè)水平，所以選擇Lg(34)型正交表，按照Lg(34)型正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[3－5].如表1 所示.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

每組的氨氮進(jìn)水質(zhì)量濃度均為28.85 mg/L，根據(jù)每一組合的條件用HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH值，并投入相應(yīng)量的改性粉煤灰.調(diào)節(jié)相應(yīng)的溫度，放入水浴恒溫振蕩器振蕩攪拌均勻后，經(jīng)過設(shè)定時(shí)間后，取少量反應(yīng)液用離心機(jī)離心后并過濾，用前述方法取過濾液測其吸光度值.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表1 正交實(shí)驗(yàn)組合方式

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀分析表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)2中改性粉煤灰處理氨氮廢水的效率最高，氨氮的去除率達(dá)到了57.52%，實(shí)驗(yàn)4中改性粉煤灰處理氨氮廢水的效率最差，氨氮去除率僅為22.76%.根據(jù)極差分析結(jié)果可知，改性粉煤灰的投加量是關(guān)鍵因素，攪拌時(shí)間為重要因素，溶液pH值和攪拌溫度為一般因素.各因素的主次順序?yàn)?改性粉煤灰的投加量＞攪拌時(shí)間＞pH值＞攪拌溫度.

各水平對改性粉煤灰去除氨氮效率的影響:改性粉煤灰投加量:2＞5＞3;攪拌時(shí)間:30＞20＞60;溶液pH值:7＞5＞8;攪拌溫度:45＞25＞35.

由上述正交實(shí)驗(yàn)均值結(jié)果可選最佳組合為:A1B2C3D2，即改性粉煤灰的投加量2 g;攪拌溫度為45℃;溶液pH值為7;攪拌時(shí)間為30 min，上述9個(gè)實(shí)驗(yàn)中沒有此組合實(shí)驗(yàn)，所以進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，重新根據(jù)最佳組合條件進(jìn)行改性粉煤灰吸附氨氮實(shí)驗(yàn)，在此條件下氨氮的去除率為 49.68% 低于正交實(shí)驗(yàn)中最高氨氮去除率.

由此可以確定改性粉煤灰處理氨氮廢水的最佳反應(yīng)條件為:改性粉煤灰投加量2 g，攪拌溫度35℃;溶液pH值為7;攪拌時(shí)間為30 min.

4 結(jié)論

1)對于同一種改性劑，不同的濃度對應(yīng)著不同的改性效果.一般趨勢是隨著改性劑濃度的增加，氨氮的去除率逐漸增加，但當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)，也會出現(xiàn)氨氮的去除率隨著改性劑濃度的增大而減小的可能.

2)改性后的粉煤灰對氨氮的去除效果排序依次為:氫氧化鈉改性粉煤灰＞碳酸鈉改性粉煤灰＞硫酸改性粉煤灰.

3)通過正交試驗(yàn)，優(yōu)化了改性粉煤灰去除水中氨氮的最佳條件，最終確定反應(yīng)條件為改性粉煤灰投加量2 g，攪拌溫度35℃;溶液pH值為7;攪拌時(shí)間30 min.

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