粉煤灰活化及在含油废水处理中的应用研究

2013-09-27郭亚文孙秀君刘艳娟

唐山学院学报 2013年3期

郭亚文，孙秀君，刘艳娟

（1．上海杨浦区大桥街道绿化和市容管理所，上海200092；2．唐山学院环境与化学工程系，河北唐山063000）

粉煤灰是由火力发电厂燃煤锅炉排放出的一种可对环境造成严重污染的工业固体废弃物，但是，在粉煤灰中富含以活性氧化物SiO2和Al2O3为主的玻璃微珠，并且表面呈多孔结构，比表面积较大，因此具有很强的物理和化学吸附性能。研究表明，粉煤灰应用在废水处理领域取得了可喜进展，成为取代活性炭等吸附材料处理生活污水、工业废水的新型材料［1－5］。粉煤灰处理废水均需经过一定的改性活化处理才能提高吸附效率［6－7］，现有的改性手段主要包括热改性、酸改性、碱改性、盐改性、混合改性等［8－11］。如果能综合利用改性手段改进粉煤灰吸附性能，就可以极大地提高它在废水处理方面的广度和深度。

含油废水中主要污染物质为油类，包括漂浮油、乳化油、和分散油，其中乳化油由于乳化液分子在油－水界面上定向吸附形成坚固的界面膜，难以聚集在一起而稳定存在于水中。对于这种含乳化油废水，破乳絮凝是水处理的关键技术［12－13］。

本研究先对粉煤灰进行活化处理，然后利用其天然的吸附性能对含油废水中的乳化油进行吸附混凝，通过正交实验和单因素分析相结合的方法得出粉煤灰最佳活化条件及混凝的最佳条件。

1 实验材料和实验原理

1.1 废水的来源与水质

原水选取唐山市某齿轮厂含油废水，主要包括切削液、乳化液、齿轮油等石油类有机污染物以及悬浮性颗粒物等，油滴主要以乳化态和溶解态存在。水质分析如表1所示。

表1 原水水质

1.2 粉煤灰的来源与特点

本实验所用粉煤灰原材料为唐山某电厂粉煤灰，其化学成分（质量分量）见表2。

表2 唐山某电厂粉煤灰化学成分 %

扫描电镜分析（图1）显示，粉煤灰中除含有大量呈针状或棒状形态的莫来石晶体外，还含有较多的呈球形的铝硅酸盐玻璃体。

图1 粉煤灰的SEM照片

1.3 实验原理

粉煤灰处理废水的作用机理有吸附机理（物理吸附、化学吸附、离子交换吸附）、凝聚机理（污染物通过与粉煤灰发生接触凝聚而被去除）、沉淀机理（污染物由于沉降作用）和过滤机理（污染物通过粉煤灰滤层时被过滤载留去除）。其中占主导地位的是吸附作用，但直接用粉煤灰处理废水的吸附效率不高［9－10］，必须通过改性才能提高其对水处理的效率。

2 实验结果与讨论

2.1 粉煤灰活化实验

本实验主要应用了热改性、酸改性以及盐改性等几种改性手段对粉煤灰进行活化改性处理，因此以粉煤灰活性温度、Na2CO3和H2SO4为主要影响因素，分别选取三个水平，通过正交实验采用L9（33）正交表确定最佳活化条件。

实验方法：将经200目筛后的50g粉煤灰样品，加入一定量的Na2CO3固体放入马弗炉中煅烧至预定温度，恒温90 min后取出冷却至室温，加入一定浓度的100mL H2SO4进行活化，充分混合搅拌30min左右，在100℃水浴锅中水浴加热2h，待充分反应后，过滤洗涤，洗至滤液的pH为2～3，于100℃烘箱中烘干，如果有结块的现象应研磨至200目。因素水平表和实验结果分别如表3，表4所示。

由极差分析和均值分析可以得出，影响粉煤灰吸附性能的因素主次顺序依次为BCA，最优方案为A2B2C2，因此，粉煤灰最佳活化条件为焙烧温度为300℃，Na2CO3加入量为20g，硫酸浓度为70%。

表3 影响粉煤灰吸附性能的因素水平表

表4 粉煤灰影响因素正交实验方案及结果分析

2.2 影响粉煤灰混凝吸附特性的单因素分析实验

影响混凝吸附效果的因素比较复杂，主要有水温、水质和水利条件等，本实验以最佳条件活化的粉煤灰吸附材料对废水中的COD进行去除，对影响混凝吸附效果的废水温度、pH值、慢速搅拌时间以及活化粉煤灰的用量进行单因素分析，得出最佳混凝吸附条件。

2.2.1 温度对粉煤灰吸附性能的影响

取6份500mL废水水样分别置于1 000mL烧杯中，调节各水样的水温至10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，35℃，分别加入50g活化粉煤灰，快速搅拌（200r／min）1min，慢速搅拌（50r／min）8min，静置30min，取液面下2cm 处水样测其COD。结果如图2所示。由于吸附的过程是一个放热的过程，水温太高时粉煤灰发生解析，不利于吸附的进行；而温度偏低时粉煤灰活性较低，也不利于对COD的去除，所以，自然条件下用活化粉煤灰对废水中COD进行吸附处理时在20～25℃时效果最好。

2.2．2 pH值对粉煤灰吸附性能的影响

取6份500mL废水水样分别置于1 000mL烧杯中，水温为室温25℃，用HCl和NaOH调节废水的pH值分别为4，6，7，8，9，11，分别加入50g活化粉煤灰，快速搅速搅拌（200r／min）1min，慢速搅拌（50r／min）8min，静置30min，取液面下2cm处水样测其COD。结果如图3所示。

图2 废水温度对粉煤灰吸附性能的影响

图3 废水pH对粉煤灰吸附性能的影响

图3表明pH值对COD去除率的影响较大。在酸性环境中，粉煤灰对COD的吸附能力较低，随着pH值的增大，去除率力逐渐增强，到pH值为7（中性附近）时达到最大；中性和弱碱性环境中，随pH值的增大，粉煤灰对废水中COD的去除率仍较高，但当废水的pH值高于9趋于强碱性环境时，粉煤灰的吸附能力明显下降。这是由于在碱性条件下，粉煤灰表面富集大量负电荷，会增强粉煤灰吸附能力，但强碱性环境中大量的OH－也会降低粉煤灰活性。而粉煤灰中的活性成分主要是一些碱性氧化物，在强酸性环境中，废水中的H＋会使这些碱性氧化物失活，从而使粉煤灰的吸附能力显著降低。

2.2.3 搅拌时间对粉煤灰吸附性能的影响

取6份500mL废水水样分别置于1 000mL烧杯中，水温为室温25℃，pH为7．2，分别加入50g活化粉煤灰，快速搅速搅拌（200r／min）1min，慢速搅拌（50r／min）依次为2 min，4min，6min，8min，10min，12min，静置30min，取液面下2cm处水样测其COD。结果如图4所示。

图4 搅拌时间对粉煤灰吸附性能的影响

吸附是一个平衡进行的过程，为了使粉煤灰吸附材料的吸附性能达到最好的效果，吸附物质必须与吸附剂之间有充分的接触时间。由图4可以看出，随着搅拌时间的增加粉煤灰吸附能力增强，对COD的去除率有所增加，在搅拌时间为10min时达到最大值50．1%，但搅拌时间继续增加却不能提高吸附能力，所以确定活化粉煤灰对COD去除的最佳搅拌时间是10min。

2.2.4 活化粉煤灰的加入量对混凝吸附性能的影响

取6份500mL废水水样分别置于1 000mL烧杯中，水温为室温25℃，pH 为7．2，分别加入10g，20g，30g，40g，50g，60g活化粉煤灰，快速搅拌（200r／min）1min，慢速搅拌（50r／min）10min，静置30min，取液面下2cm 处水样测其COD。结果如图5所示。

图5 活化粉煤灰加入量对混凝吸附性能的影响

图5表明随着粉煤灰活性吸附材料用量的增加，粉煤灰对含油废水中的COD去除率逐渐增大，当粉煤灰的用量增加到50g以上时，废水中的COD去除率又有所下降，所以最适合的投加量为50g／500mL含油废水。

2.3 活化粉煤灰的吸附效果与活性炭对比实验

为了很好地了解粉煤灰吸附材料的实用价值，本实验在相同条件下采用等量粉煤灰和活性碳分别处理唐山某齿轮厂的含油废水，对COD的去除效果见表5。

表5 粉煤灰吸附材料和活性碳处理效果比较

由表5可知：粉煤灰吸附材料对废水中COD的去除率为68．59%，去除率与活性炭相当，并且不用考虑再生问题，既节约了成本又实现了“以废治废”的目的，因此，应用活化粉煤灰处理含油废水具有较好的应用前景。

3 结论

（1）通过正交实验确定了粉煤灰的活化改性条件：焙烧温度为300℃，Na2CO3加入量为20g，硫酸浓度为70%。

（2）粉煤灰对含油废水的吸附效果受废水温度、pH值、搅拌时间、投加量的影响。实验结果表明，粉煤灰吸附含油废水的最佳条件为：温度为20～25℃，PH值近中性，慢速搅拌时间10min，粉煤灰投加量为50g／500mL时，含油废水的COD去除率可以达到68．59%，吸附效果较为显著，实现了“以废治废”的目的。

（3）粉煤灰吸附材料在处理含油废水时可以在一定范围内取代活性炭。

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