粉煤灰的改性及对废水中氨氮处理条件的优化

李俊生，李 爽，刘志维，左金龙

(1.哈尔滨商业大学环境工程系，哈尔滨150076;2.黑龙江省环境保护科学研究院，哈尔滨150056)

我国火力发电厂产生的粉煤灰主要由氧化硅、氧化镁、氧化锌、氧化铝、氧化钙、氧化钠以及硫、铁、锰、磷的氧化物等组成，其外观与普通水泥相似.

粉煤灰密度小，比表面积大，在其表面空隙较多，是一种多孔性的碳粒，在碳粒的内部有莫来石、石英等硅酸盐和玻璃体，其表面存在着大量的Si－O－Si键，遇水后，可在粉煤灰表面形成羟基，使粉煤灰具有亲水性、吸附性和表面化学活性[1－2].

因其具有孔隙多、比表面积大和铝硅等活性位点，使得粉煤灰具有一定的吸附、沉降和絮凝能力，在污废水处理中得到了广泛的应用[3－6].本文通过不同试剂对粉煤灰的进行改性，并对其处理污废水中的氨氮的条件进行优化.

1 实验材料和方法

实验中所用到的药品均为分析纯.

实验用粉煤灰取自哈尔滨市某热电厂，利用碳酸钠、氢氧化钠和浓硫酸对粉煤灰进行改性，并利用改性粉煤灰对自配污水中的氨氮进行去除.

2 粉煤灰的改性

2.1 碳酸钠对粉煤灰改性

按粉煤灰和碳酸钠的质量浓度配比，分别取1∶0.25、1∶0.5、1∶0.75、1∶0.9、1∶1 的 5 个不同质量浓度配比的混合物，置于坩埚中，搅拌均匀，然后将其置于温度为880℃的马弗炉中，煅烧2 h，煅烧完毕后再保温2 h.分别取改性粉煤灰2 g置于250 mL锥形瓶中，加入100 mL质量浓度为20.2 mg/L的氨氮模拟废水，用水浴恒温振荡器振荡搅拌30 min，离心过滤，取滤液进行分析测定.如图1所示.

图1 碳酸钠质量浓度与氨氮去除率关系

由图1可以看出，改性粉煤灰对氨氮的去除率随碳酸钠质量浓度的升高而逐渐增加，并在质量浓度比为1∶0.9时达到最高的去除率约29.3%，但在其比例为1∶1时，氨氮去除率下降，经分析为改性后的粉煤灰可能对其他阳离子存在交换潜力，导致了其去除能力下降.

2.2 氢氧化钠对粉煤灰改性

分别配制浓度为 0、1、2、3、5、7 mol/L 的氢氧化钠溶液各200 mL，各加入预处理后粉煤灰30 g，设定温度为90℃，恒温搅拌4 h，再用蒸馏水将粉煤灰清洗至中性，减压抽滤后烘干，过100目筛，置于密封袋备用.分别取改性粉煤灰2 g置于250 mL锥形瓶中，加入100 mL质量浓度为20.2 mg/L的氨氮模拟废水，用水浴恒温振荡器振荡搅拌30 min，离心过滤，取滤液进行分析测定.如图2所示.

由图2可知.在氢氧化钠浓度为3 mol/L时，氨氮的去除率达到最大值，为65.4%.氢氧化钠破坏了粉煤灰的硅氧键、铝氧键，释放出大量的活性基团，并促使了粉煤灰形成了钠型沸石，从而提高了其吸附性能，随着氢氧化钠浓度的不断升高，改性效果越来越好，氨氮去除率的不断提高，但当氢氧化钠浓度提高至5 mol/L时，粉煤灰对氨氮的去除率有所下降，这是因为，粉煤灰只能部分合成沸石，氢氧化钠过量会破坏粉煤灰及所形成的沸石中的一些活性成分.

图2 氢氧化钠浓度与氨氮去除率关系

2.3 硫酸对粉煤灰改性

配制浓度分别为 1、2、3、4、5 mol/L 的硫酸溶液，称取预处理后的粉煤灰各30 g，加入200 mL不同浓度的硫酸溶液中，设定温度为90℃，固定转速，用磁力搅拌器搅拌4 h.反应结束后，再用蒸馏水清洗至中性，减压抽滤，于100℃烘箱中烘24 h，置于密封袋备用.取各浓度硫酸改性后的粉煤灰2 g分别置于250 mL锥形瓶中，加入质量浓度为20.2 mg/L的氨氮模拟废水100 mL，然后用固定磁力搅拌器搅拌30 min，离心过滤，取滤液分析测定.经测定，利用硫酸对粉煤灰进行改性并没有提高其对氨氮的去除效果.

上述实验可知，用氢氧化钠对粉煤灰进行改性，对粉煤灰去除水中的氨氮由比较好的促进作用.

3 改性粉煤灰处理条件优化

3.1 正交实验的设计

利用正交试验的方法，对改性粉煤灰处理水中氨氮的条件进行优化，实验中选择改性粉煤灰投加量，溶液pH值，搅拌时的温度，反应搅拌时间四个因素，不考虑每个因素之间的交互作用，每个因素选择三个水平，所以选择Lg(34)型正交表，按照Lg(34)型正交表进行实验[3－5].如表1 所示.

3.2 实验结果

每组的氨氮进水质量浓度均为28.85 mg/L，根据每一组合的条件用HCl和NaOH溶液调节其pH值，并投入相应量的改性粉煤灰.调节相应的温度，放入水浴恒温振荡器振荡搅拌均匀后，经过设定时间后，取少量反应液用离心机离心后并过滤，用前述方法取过滤液测其吸光度值.实验结果如表2所示.

表1 正交实验组合方式

表2 实验结果直观分析表

实验结果表明:实验2中改性粉煤灰处理氨氮废水的效率最高，氨氮的去除率达到了57.52%，实验4中改性粉煤灰处理氨氮废水的效率最差，氨氮去除率仅为22.76%.根据极差分析结果可知，改性粉煤灰的投加量是关键因素，搅拌时间为重要因素，溶液pH值和搅拌温度为一般因素.各因素的主次顺序为:改性粉煤灰的投加量＞搅拌时间＞pH值＞搅拌温度.

各水平对改性粉煤灰去除氨氮效率的影响:改性粉煤灰投加量:2＞5＞3;搅拌时间:30＞20＞60;溶液pH值:7＞5＞8;搅拌温度:45＞25＞35.

由上述正交实验均值结果可选最佳组合为:A1B2C3D2，即改性粉煤灰的投加量2 g;搅拌温度为45℃;溶液pH值为7;搅拌时间为30 min，上述9个实验中没有此组合实验，所以进行补充实验，重新根据最佳组合条件进行改性粉煤灰吸附氨氮实验，在此条件下氨氮的去除率为 49.68% 低于正交实验中最高氨氮去除率.

由此可以确定改性粉煤灰处理氨氮废水的最佳反应条件为:改性粉煤灰投加量2 g，搅拌温度35℃;溶液pH值为7;搅拌时间为30 min.

4 结论

1)对于同一种改性剂，不同的浓度对应着不同的改性效果.一般趋势是随着改性剂浓度的增加，氨氮的去除率逐渐增加，但当达到一定浓度时，也会出现氨氮的去除率随着改性剂浓度的增大而减小的可能.

2)改性后的粉煤灰对氨氮的去除效果排序依次为:氢氧化钠改性粉煤灰＞碳酸钠改性粉煤灰＞硫酸改性粉煤灰.

3)通过正交试验，优化了改性粉煤灰去除水中氨氮的最佳条件，最终确定反应条件为改性粉煤灰投加量2 g，搅拌温度35℃;溶液pH值为7;搅拌时间30 min.

[1]薛群虎，杨 源.粉煤灰理化性质及微观形貌研究[J].砖瓦，2008，1:14－16.

[2]叶爱英，徐景峰.粉煤灰的改性、成型及深度除磷应用[J].化工环保，2013，33:84－86.

[3]李晓颖.改性粉煤灰处理印染废水的研究[J].辽宁化工，2013，42(2):112－114.

[4]陈莉荣，李玉梅，杜明展.改性粉煤灰吸附稀土废水中的氨氮[J].环境工程学报，2013，7(2):518－522.

[5]史豪杰，买文宁，姚 萌，等.粉煤灰深度处理制药废水实验研究[J].环境工程，2013，31(1):1－4.

[6]Elena Soloveva，李 伟，丁 晶，等.电化学氧化法处理垃圾渗滤液中氨氮实验研究[J].哈尔滨商业大学学报:自然科学版，2014，30(1):56 －59.