改性粉煤灰对含铅废水的吸附研究

姚辉梅，温德运，王寿海，王升水，王诗汉，谢福洋

（龙岩学院化学与材料学院，福建 龙岩 364012）

改性粉煤灰对含铅废水的吸附研究

姚辉梅，温德运，王寿海，王升水，王诗汉，谢福洋

（龙岩学院化学与材料学院，福建 龙岩 364012）

通过对粉煤灰的硫酸改性得到酸改性粉煤灰，用其对含铅模拟废水进行吸附实验，探讨改性的最佳条件，并在最佳改性条件下制得改性粉煤灰，研究改性粉煤灰投加量、吸附时间、吸附温度以及pH值对Pb2+吸附效果的影响。结果表明，在投加量为10 g/L，吸附时间为50 m in，吸附温度为50℃，pH=6时，改性粉煤灰对40μg/m L的Pb2+的去除率可达90．34%，能够较好的去除废水中的Pb2+。

粉煤灰；改性；吸附；Pb2+;废水

随着经济的快速发展，重金属污染废水大量排放，重金属进入水体后难以被生物降解，并可通过生物链富集，危害人体健康。据资料报道，我国每年缺水超过300亿吨。因此，重金属污染废水己经得到了人们广泛的重视[1]。铅是作用于人体全身系统和器官的累积性毒物，主要积累于神经、造血、消化、心血管等系统和肾脏，铅污染不仅影响人体健康，而且影响儿童智力的发育[2]。蓄电池、冶炼、五金、机械和电镀工业等部门排放的废水是环境铅污染的主要来源，此外还有燃煤、油漆涂料的污染[3]。

含重金属废水常用的处理方法主要有化学沉淀法、氧化还原法、离子交换、吸附法、膜分离法、生物法等。到目前为止吸附法应用最广，其中应用较多的吸附剂有膨润土、有机膨润土以及活性炭[4]等。但活性炭成本较高，所以新型价廉的环境矿物吸附材料的开发应用是目前研究的热点和重点[5]。

粉煤灰是燃煤电厂的固体废弃物，它的堆存不仅占用大量的耕地，而且危害人体健康和生态环境。由于粉煤灰价格低廉，其主要成分Al2O3、SiO2、Fe2O3占70%左右，CaO和MgO含量较少，具有表面疏松多孔、颗粒细小、比表面积大、吸附性较强的优点，以及富含某些对废水处理有利的化学成分，可产生助凝、沉淀等效果，使其在废水处理方面显示出较好的应用前景，所以利用粉煤灰的吸附性能处理废水，既可以变害为利，又具有一定的经济和环境效益[6-8]。粉煤灰处理含重金属离子废水主要是通过吸附作用(物理吸附和化学吸附)，但由于粉煤灰吸附容量并不高，对其进行改性，使其更适于废水处理就显得非常重要。经酸处理后的粉煤灰颗粒表面变得粗糙，颗粒表面出现了许多大的孔洞，增加了颗粒的比表面积，根据废水处理的吸附理论，吸附剂比表面积越大，吸附效果越好。因此，经酸改性的粉煤灰的吸附能力较改性前强[9]。本文主要研究硫酸对粉煤灰进行改性，得到改性粉煤灰，对水中Pb2+进行吸附，探讨其最佳改性条件及最佳吸附条件。

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

320目筛；PHS-3CT型数字pH计（上海伟业仪器厂）；WFJ2000型可见分光光度计（尤尼柯（上海）仪器有限公司）；DT2T-9076A电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；SHB-III型循环水真空泵（河南省予华仪器有限公司）；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器。

粉煤灰；硫酸（AR）；醋酸（AR）；NaOH；二甲酚橙；硝酸铅。

1.2 实验方法

1．2．1 粉煤灰的预处理

将粉煤灰过320目筛，用蒸馏水洗净后，在110℃下烘干，研磨，封存备用。

1．2．2 模拟废水的配制

称取0.0806 g的硝酸铅，加入到烧杯中加水溶解，转移到100 mL容量瓶中，润洗烧杯3次，润洗液加入到容量瓶中，稀释到刻度，配成0.5 mg/mL的铅离子标准溶液，使用时将标准溶液稀释成40μg/mL的模拟废水。

1．2．3 二甲酚橙(1．0 g/L)的配制

用分析天平称取0.1000 g的二甲酚橙，加入烧杯中，加少量蒸馏水水溶解，转移到100 mL容量瓶中，润洗烧杯3次，润洗液加入到容量瓶中，稀释至刻度。

1．2．4 醋酸-醋酸钠缓冲溶液(pH 6．0)的配制

用浓度为0.04 mol/L的醋酸和0.2 mol/L NaOH溶液在酸度计上调至pH=6.0。

1．2．5 绘制标准曲线

本实验用Pb-XO配合物显色光度法测定铅[10]，吸取0.5 mg/mL的铅离子标准液20 mL于100 mL容量瓶中，加水稀释至刻度，摇匀，得浓度为100 μg/mL的铅溶液，分别吸取100μg/mL的铅溶液0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL，放入6个100 mL容量瓶中，用蒸馏水稀释定容。分别移取25 mL上述Pb2+标准溶液于6个50 mL比色管中，再往每个比色管中依次加入1.0 g/L二甲酚橙1 mL，pH 6.0的醋酸-醋酸钠缓冲溶液2.00 mL，用水稀释至刻度，摇匀，用l cm的比色皿于580 nm波长处测定体系的吸光度，绘制标准曲线，如图1所示。

1．2．6 改性粉煤灰的制备

图1 铅标准曲线的绘制

称取一定量的预处理后的粉煤灰，投入一定量硫酸（浓度由文献和综合实验确定），在不同的酸浓度，改性温度，改性时间处理后，抽滤，用去离子水将粉煤灰反复清洗，至中性，在烘箱中高温烘干，然后将烘干后的粉煤灰加入40μg/mL铅离子模拟废水中，进行吸附反应，粉煤灰吸附实验完成后，取上层清液过滤，将滤液按绘制标准曲线时所用的方法，用Pb-XO配合物显色光度法测定残余Pb2+浓度，计算去除率，从而确定最佳改性工艺。然后按照最佳的改性工艺条件制备足量的改性粉煤灰，备用。

1.2.7 改性粉煤灰吸附含Pb2+模拟废水

用改性后的粉煤灰投入40μg/mL模拟废水中，先固定其它因素，分别在不同粉煤灰投加量、吸附温度、吸附时间以及溶液pH值下进行吸附实验，将处理后的模拟废水，取上层清液过滤，将滤液按绘制标准曲线时所用的方法，用Pb-XO配合物显色光度法测定残余Pb2+浓度，计算去除率，并讨论各因素对Pb2+去除率的影响。

2 结果与讨论

2.1 最佳改性条件的确定

2.1.1 最佳改性的酸浓度的确定

在室温下，往7个50 mL的烧杯中，加入10 g未改性粉煤灰，再分别加入20 mL浓度为0、0.5、1、1.5、2、2.5、3 mol/L的硫酸，控制相同的搅拌速度，搅拌60 min，蒸馏水洗至中性，110℃下烘干，得不同酸浓度改性后的粉煤灰，分别取上述改性后的粉煤灰0.5 g于7个100 mL烧杯中，依次加入50 mL 40μg/mL的Pb2+模拟废水，进行吸附反应，pH中性，常温下静置吸附1h，取上层清液过滤，将滤液按绘制标准曲线时所用的方法，用Pb-XO配合物显色光度法测定残余Pb2+浓度，计算去除率，结果如图2所示。

从图2可以看出，当改性的硫酸浓度为1 mol/L，改性的粉煤灰对铅离子模拟废水的吸附效果最好，达到93.12%；而后随着硫酸浓度的增大，相应改性的粉煤灰对铅离子模拟废水的吸附效果越来越差。说明粉煤灰中的Fe3+，Al3+等在酸浓度为1 mol/L时释放的要比其它浓度更多，粉煤灰的表面更为粗糙，改性较为彻底。固可确定此时的硫酸浓度为改性的最佳酸浓度。

2.1.2 最佳改性时间的确定

在室温下，往5个50 mL的烧杯中，分别加入10 g未改性粉煤灰，再分别加入浓度为0.5 mol/L的硫酸20 mL，搅拌速度一定，活化时间分别为1、4、8、12、24 h，然后用蒸馏水水洗至中性，110℃下烘干，得到不同活化时间改性后的粉煤灰，分别取上述粉煤灰0.5 g于5个100 mL烧杯中，再依次加入50 mL 40μg/mL的Pb2+模拟废水，进行吸附反应，pH中性，常温下静置吸附1 h，取上层清液过滤，将滤液按绘制标准曲线时所用的方法，用Pb-XO配合物显色光度法测定残余Pb2+浓度，计算去除率，结果如图3所示。

图2 酸的浓度对铅去除率的影响

图3 改性时间对铅去除率的影响

从图3可以看出，铅离子去除率随改性时间增大呈上升趋势，当改性时间为12 h时改性粉煤灰的对铅离子的吸附率最大，而后基本保持不变，说明活化已经完全，可以确定最佳改性时间为12 h。

2.1.3 最佳改性温度的确定

往7个50mL的烧杯中，分别加入10 g未改性粉煤灰，浓度为0.5mol/L的硫酸20 mL，搅拌12 h，搅拌速度一定，活化温度为30、40、50、60、70、80℃，蒸馏水水洗至中性，110℃下烘干，得不同活化时间改性后的粉煤灰，分别取上述粉煤灰0.5 g于7个100 mL烧杯中，再依次加入50 mL 40μg/mL的Pb2+模拟废水，进行吸附反应，pH中性，常温下静置吸附1h，取上层清液过滤，将滤液按绘制标准曲线时所用的方法，用Pb-XO配合物显色光度法测定残余Pb2+浓度，计算去除率，结果如图4所示。

图4 改性温度对铅去除率的影响

从图4可以看出，铅离子去除率随改性温度增大呈上升趋势，去除率在89.29%到91.71%变化，当温度达到60℃后基本没有变化，说明随着温度的升高粉煤灰改性得越来越彻底，当温度达到60℃基本活化完全，可以确定最佳改性温度为60℃。

2.2 最佳吸附条件的确定

2.2.1 粉煤灰投加量的影响

在室温下，往10个100 mL的烧杯中分别加入50 mL 40μg/mL的模拟废水，粉煤灰投加量在2～20 g/L之间变化，pH中性，吸附1 h，吸附完成后，取上层清液于漏斗中过滤，将滤液取出，用Pb-XO配合物显色光度法测定残余Pb2+浓度，计算去除率，结果如图5所示。

从图5可以看出随着粉煤灰投加量的增加，铅的去除率也增加，当50 mL的模拟废水中加入改性粉煤灰量为0.5 g时(即投加量为10 g/L时)去除率达到最大，而后改性粉煤灰的量再增大去除率基本不再升高，基本达到了去除目的，说明粉煤灰的吸附量是有限的，而且此时其吸附量达到极限，因此可以确定粉煤灰的最佳投加量为10 g/L。

2.2.2 吸附时间的影响

在室温下，往6个100 mL的烧杯中分别加入50 mL 40μg/mL的模拟废水，加入最佳的改性粉煤灰0.5 g，吸附时间在10～60 min之间变化，pH中性，吸附完成后，取上层清液于漏斗中过滤，将滤液取出，用Pb-XO配合物显色光度法测定残余Pb2+浓度，计算去除率，结果如图6所示。

图5 粉煤灰投加量对铅去除率的影响

图6 吸附时间对铅去除率的影响

从图6可以看出，当吸附时间小于50 min时，随吸附时间的增大，铅去除率也随着增大，当吸附时间为50 min时，去除率达到最大（达到93.41%），而后随时间的变化去除率不再升高，说明吸附时间为50 min时改性粉煤灰的吸附量基本达到饱和，因此可以确定最佳吸附时间为50 min。

2.2.3 吸附温度的影响

往7个100 mL的烧杯中分别加入50 mL 40μg/mL的模拟废水，加入改性粉煤灰0.5 g，使吸附温度在20～80℃之间变化，pH中性，吸附50 min，吸附完成后，取上层清液于漏斗中过滤，将滤液取出，用Pb-XO配合物显色光度法测定残余Pb2+浓度，计算去除率，结果如图7所示。

从图7可以看出，吸附温度在20℃～80℃之间变化时去除率的变化波动并不大，这就说明温度对颗粒吸附剂去除含铅废水的影响不大。其原因是，用粉煤灰处理含铅废水主要是离子交换和表面络合起作用[11]，温度升高使溶液中的离子运动速度加快，促进了离子的交换反应。此外，温度升高，水分蒸发量增大，对去除率也有一定影响，所以可选择在室温下对废水进行处理。我们可以确定室温为最佳的吸附温度。

2.2.4 pH的影响

在室温下，往7个50 mL的烧杯中分别加入50 mL 40μg/mL的模拟废水，用缓冲试剂将废水的pH调试在3到9之间变化，然后加入粉煤灰0.5 g，吸附50 min，吸附完成后，取上层清液于漏斗中过滤，将滤液取出，用Pb-XO配合物显色光度法测定残余Pb2+浓度，计算去除率，结果如图8所示。

图7 吸附温度对铅去除率的影响

图8 pH对铅去除率的影响

从图8可以看出，随pH的升高，铅离子的去除率也随着升高，pH在5～7时，去除率变化不大，继续增大pH则铅离子的去除率会下降，过多的H+会与金属离子产生竞争作用，所以随着H+的减少，吸附量会逐渐增加[12]，但pH较高时，会引起金属离子水解，不利于吸附，故吸附效果较差，可确定最佳pH为6。

2.3 改性与未改性粉煤灰的吸附效果比较

在室温下，往2个100 mL的烧杯中分别加入50 mL 40μg/mL的模拟废水，用缓冲试剂将废水的pH调试为pH=6，然后其中一个加入未改性的粉煤灰0.5 g，另一个加入改性的粉煤灰0.5 g，吸附分别为50 min，吸附完成后，取上层清液于漏斗中过滤，将滤液取出，用Pb-XO配合物显色光度法测定残余Pb2+浓度，计算去除率，结果如图9所示。

图9 最佳条件下改性与为改性粉煤灰的吸附效果比较

从图9可以看出，改性粉煤灰与未改性粉煤灰在相同的吸附条件下，都对铅离子具有吸附，改性后的粉煤灰去除率高达90.34%，比未改性粉煤灰高了18.49%，说明改性后的粉煤灰具有较好的吸附效果。

3 结论与讨论

通过本次实验，得出以下结论：证明了改性粉煤灰确有较高的吸附活性，可以作为处理含铅离子废水的处理剂使用；硫酸改性粉煤灰的最佳改性条件为：硫酸浓度1 mol/L，改性的时间12 h，改性的温度60℃；改性后的粉煤灰对铅的最佳吸附条件为：粉煤灰投加量10 g/L，吸附时间50 min，吸附温度室温，pH为6,对40μg/mL的Pb2+的去除率可达90.34%。

通过硫酸改性粉煤灰，在相同条件下，能将粉煤灰对含铅离子废水的吸附效率提高近20%，为我们治理工业废水中的铅离子提供更有效的方法。酸改性粉煤灰在铅离子吸附饱和后可以不进行再生处理，同时原料来源丰富，操作简单，具有明显的经济效益和社会效益。因此，改性粉煤灰在处理含铅废水中有着广阔的应用前景。

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(责任编辑：朱联九）

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

姚辉梅，女，江西吉安人，讲师。研究方向：复合材料。