改性粉煤灰吸附处理含铅废水试验研究

高玉红，辛 景，梁亚男，申丽英

（邯郸学院 化学化工与材料学院，河北 邯郸 056005）

粉煤灰是燃煤电厂煤燃烧后的灰烬，简称飞灰（fly ash）。我国粉煤灰每年产生1．2亿t［1-2］，对空气、土壤和淡水都有一定影响［3］。粉煤灰的比表面积较大，有很多Al、Si活性点，像活性炭一样具有很好的吸附性能。吸附1次后的粉煤灰不需要再生，可直接用于生产水泥等，所以，粉煤灰在废水处理方面已得到广泛研究。［4-5］

试验采用5种方法对粉煤灰进行改性，然后用改性粉煤灰对模拟含铅废水进行吸附处理，以期筛选出最有效的改性方法，为粉煤灰在水处理领域中的应用提供参考依据。

1 试验部分

1．1 材料和仪器

模拟含铅废水：用硝酸铅配制，铅质量浓度为100mg／L。

粉煤灰：取自邯郸某发电厂，其成分主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、未燃尽的碳，少量MgO、Na2O、K2O等。

主要仪器：火焰原子吸收光谱仪，数字超声波清洗仪，电热恒温干燥箱，PHS-P1型酸度计，马弗炉，磁力搅拌器等。

1．2 粉煤灰的改性

1）碱改性：取研磨粉煤灰10g，与一定浓度的氢氧化钠溶液按1∶10的质量体积比混合，在磁力搅拌器上搅拌40min，过滤后得到改性粉煤灰，在80℃烘箱中烘干后再研磨，制得碱改性粉煤灰。

2）酸改性：取研磨粉煤灰10g，与一定浓度的硫酸溶液按1∶10的质量体积比混合，在磁力搅拌器上搅拌40min，过滤后得改性粉煤灰，在80℃烘箱中烘干后再研磨，制得硫酸改性粉煤灰。

3）超声改性：取研磨粉煤灰10g，加入100 mL二次蒸馏水，得到粉煤灰悬浮液，放入超声波振荡器中，在30℃、振荡频率100%条件下振荡一定时间后过滤，在80℃ 烘箱中烘干后再研磨，制得超声波改性粉煤灰。

4）高温改性：取研磨粉煤灰6g，放入马弗炉中，在400℃下焙烧一定时间后冷却至室温，制得高温焙烧改性粉煤灰。

5）助溶剂改性：用无水碳酸钠作助溶剂，按一定比例与粉煤灰混合后放入马弗炉中焙烧1h，取出后冷却至室温，制得碳酸钠改性粉煤灰。

1．3 吸附试验

取5种改性粉煤灰各0．3g加入到烧杯中，分别加入50mL模拟废水，在磁力搅拌器上搅拌40min后过滤，测定滤液中铅离子质量浓度，计算铅吸附率。

1．4 分析方法

采用火焰原子吸收光谱法（北京普析通用仪器有限责任公司TAS-986）测定溶液中铅离子质量浓度。

2 试验结果与讨论

2．1 碱浓度对改性粉煤灰吸附铅离子的影响

由图1看出，NaOH浓度对粉煤灰的性能影响较大：NaOH浓度为3mol／L时，改性粉煤灰的吸附性能最好，吸附率为99．60%。用NaOH改性过程中，溶液中的OH-使粉煤灰的网状结构发生改变，提供了更多的活性位点，并且增大了粉煤灰的比表面积，使粉煤灰的吸附性能大大提高；NaOH浓度大于3mol／L后，OH-浓度过高，开始与粉煤灰表面的Si和Al结合，导致粉煤灰吸附能力下降。

图1 NaOH浓度对改性粉煤灰吸附铅离子的影响

2．2 硫酸浓度对改性粉煤灰吸附铅离子的影响

由图2看出：改性粉煤灰的吸附能力随硫酸浓度增大而增大，当硫酸浓度为4mol／L时，吸附率达93．82%；虽然再增大硫酸浓度，改性粉煤灰的吸附能力还可提高，但提高幅度较小，而且硫酸浓度过大会增加成本。所以，最佳硫酸浓度确定为4mol／L。

图2 硫酸浓度对改性粉煤灰吸附铅离子的影响

2．3 超声波对改性粉煤灰吸附铅离子的影响

从图3看出，超声波对改性粉煤灰的吸附能力影响不大，超声改性30～110min，粉煤灰对铅离子的吸附率在53%～55%之间，变化不大。该粉煤灰属于一级灰，颗粒粒径很小，超声波无法再将其击碎，所以吸附能力提高幅度不大。

图3 超声波对改性粉煤灰吸附铅离子的影响

2．4 高温焙烧对改性粉煤灰吸附铅离子的影响

由图4看出，高温焙烧对粉煤灰的吸附能力有一定提升作用：焙烧1h的粉煤灰对铅离子的吸附率最大；随焙烧时间延长，吸附率反而降低。高温焙烧使粉煤灰表面的水分蒸发，更多活性位点裸露出来，可以吸附更多的铅离子；而长时间的高温焙烧会导致粉煤灰的孔洞结构被破坏［4］，活性位点减少，从而导致吸附能力下降。

图4 高温焙烧对改性粉煤灰吸附铅离子的影响

2．5 助溶剂对改性粉煤灰吸附铅离子的影响

由图5看出：加助溶剂改性粉煤灰，在助溶剂和粉煤灰的质量比为3∶5时，改性粉煤灰对铅离子的吸附能力最强，铅离子吸附率达97．26%；继续增加二者质量比，铅离子吸附率降低。这是由于助溶剂在高温焙烧条件下与粉煤灰发生熔融［6］，构成一个整体，随二者质量比增大，粉煤灰比表面积变小，吸附能力降低。

图5 助溶剂对改性粉煤灰吸附铅离子的影响

2．6 碱改性粉煤灰对废水中铅离子的吸附

2．6．1 温度对碱改性粉煤灰吸附铅离子的影响

取碱改性粉煤灰0．3g，加入50mL模拟废水，放到磁力搅拌器上，在不同温度下搅拌40 min后过滤得清液，测定清液中铅离子质量浓度，计算铅离子吸附率。试验结果如图6所示。

图6 吸附温度对碱改性粉煤灰吸附铅离子的影响

由图6看出，随温度升高，改性粉煤灰的吸附能力降低。因为吸附过程中放热，随温度升高，平衡逆向移动，使改性粉煤灰吸附能力下降，所以确定在常温下吸附即可。

2．6．2 废水pH对碱改性粉煤灰吸附铅离子的影响

取5份0．3g氢氧化钠改性粉煤灰，分别加入50mL模拟废水，用硫酸和氢氧化钠调溶液pH，磁力搅拌，20℃下搅拌吸附40min后过滤得清液，测定清液中铅离子质量浓度，计算吸附率。试验结果如图7所示。可以看出，溶液pH对碱改性粉煤灰吸附铅离子有较大影响：随pH增大，铅离子吸附率提高；溶液呈酸性时，铅离子吸附率较低，这可能是氢离子与铅离子竞争吸附所致；溶液pH达5．0后，吸附率虽有提高，但提高幅度不大。碱性条件可以提高粉煤灰的吸附能力［7］，原因可能是OH-能够进一步激活粉煤灰的活性点，并使铅离子产生沉淀，从而使粉煤灰吸附能力更强［6］。

图7 废水pH对碱改性粉煤灰吸附铅离子的影响

2．6．3 吸附时间对碱改性粉煤灰吸附铅离子的影响

取5份0．3g碱改性粉煤灰，分别加入50 mL模拟废水，常温下，调节pH＝7．0，磁力搅拌不同时间后过滤得清液，测定清液中铅离子质量浓度，计算铅离子吸附率。试验结果如图8所示。

图8 吸附时间碱改性粉煤灰吸附铅离子的影响

由图8看出：碱改性粉煤灰对铅离子的吸附在短时间内就已基本完成，吸附10min时，吸附率为85．66%；吸附40min时，吸附率接近99%，吸附基本达到平衡。所以选定40min为最佳吸附时间。

2．7 碱改性粉煤灰对含铅废水的吸附等温线

将碱改性粉煤灰对含铅废水的等温吸附试验结果用Langmuir等温式和Freundlich等温式［8-9］进行拟合，所得曲线如图9、10所示，拟合结果见表1。

图9 Langmuir等温吸附曲线

图10 Freundlich等温吸附曲线

表1 等温吸附方程拟合结果

从表1看出：两种等温吸附式拟合结果均比较理想，其相关系数R2都大于0．97；Freundlich吸附等温式中，n＝0．452，表明碱改性粉煤灰作为吸附剂具有较强的吸附能力，对铅离子的吸附属于良性吸附。粉煤灰对铅离子的吸附不只是单一分子层的吸附，也存在多分子层的吸附现象。

3 结论

5种改性方法都可对粉煤灰进行改性，但氢氧化钠的改性效果最好。适宜条件下，用氢氧化钠改性的粉煤灰从废水中吸附铅离子，铅离子去除率可达99%；氢氧化钠改性粉煤灰对铅离子的吸附属于良性吸附，吸附不只是单一分子层的吸附，也存在多分子层的吸附现象。吸附过程符合Freundlich等温式和Langmuir等温式。

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