改性煤矸石处理味精厂废水的研究

2018-10-18王世林牛文静

石油化工应用 2018年9期

王婷，王世林，牛文静

（银川能源学院石油化工学院，宁夏银川 750105）

近几年，随着我国煤炭工业的发展，在煤炭资源的开采过程中，伴随着一种固体废弃物煤矸石的产生，大约占煤年产量的15%[1]。大量的煤矸石的堆积不但会造成水体、空气和土壤的污染而且还会侵占大量土地面积，因此，煤矸石的综合利用已成为人们所重视和研究的问题[2-4]。水污染是我国面临的环境问题之一，随着中国食品加工业的发展，味精废水的排放量逐年增加，味精废水中具有排放量大和成分复杂等特性[5，6]。

利用煤矸石经过酸、碱或添加助剂等方法改性后，可以得到廉价的优良吸附剂，从而达到对废水中主要污染物的吸附。因此，煤矸石并不单纯是一种废弃物，而是一种很有潜在利用价值的资源[7，8]。对煤矸石进行很好的利用，变废为宝，变害为益，进而对推动煤炭事业可持续发展将有着极其重要的现实意义。本文通过利用煤矸石中添加一定量氢氧化钠固体，在高温焙烧的条件下制备碱改性吸附剂，并用改性后的煤矸石对味精厂废水进行吸附处理，探讨其最佳吸附剂制备与吸附条件。

1 实验部分

1.1 材料、试剂与仪器

本实验原水取自某食品有限公司味精车间精馏段废水。

主要试剂：实验用硫酸亚铁铵、氢氧化钠、硫酸汞、硫酸银、硫酸亚铁、重铬酸钾、邻菲罗啉、硫酸均为分析纯。

主要仪器：箱式电阻炉SX5-12、粉碎机GJ-1型、仪表恒温水浴锅单列两孔型、调速多用振荡器HY-4A、台式离心机TDL80-2B、电热鼓风干燥箱101FA、X射线衍射仪D8 Advance、扫描电子显微镜Inspect F50、比表面及孔隙度分析仪TriStar II 3020。

1.2 实验方案

1.2.1 制备煤矸石样将收集的块状煤矸石采用人工破碎的方法进行粗碎，过筛后颗粒较小的煤矸石放入粉碎机粉碎30 min后，用200目标准筛过筛后装入密封袋备用。

1.2.2 吸附剂制备称取上述制备的煤矸石样10 g，放入马弗炉中800℃焙烧2 h，取出后冷却至室温，待完全冷却后，取少量焙烧后的煤矸石加入一定比例的氢氧化钠，在500℃～750℃下焙烧0.5 h～3.0 h，焙烧结束后，取出冷却至室温，用研钵将改性后的煤矸石研磨后，过筛后装入密封袋，即可得到改性的煤矸石吸附剂。

1.2.3 吸附剂对味精厂废水吸附性能测定称取一定量的吸附剂加入到定量的味精厂废水中，在一定温度下，振荡吸附1 h～2 h，吸附实验结束后，测定CODCr，计算CODCr去除率，以此评价吸附剂吸附能力。

2 实验结果与讨论

2.1 质量配比对吸附性能的影响

煤矸石与氢氧化钠的质量配比按照 1：0.3、1：0.4、1：0.5、1：0.6、1：0.8 进行实验，实验结果（见图1）。随着煤矸石与氢氧化钠的质量配比的增加，CODCr去除率呈现先增加后减少的趋势，当煤矸石与氢氧化钠的质量配比为1：0.5时，CODCr去除率达到最大值。这是因为随着煤矸石与氢氧化钠质量配比增加，反应进行的越充分，使得孔容和比表面积均有所增加。但煤矸石与氢氧化钠的质量配比为1：0.5之后，CODCr去除率明显下降，随着两者的质量配比增加，氢氧化钠过量后导致未反应的NaOH侵蚀煤矸石内部，堵塞煤矸石孔道，使煤矸石内部孔容减少，比表面积减少，CODCr去除率减少。

图1 不同配比下CODCr去除率

2.2 焙烧温度对吸附性能的影响

在煤矸石与氢氧化钠的质量配比为1：0.5和焙烧时间相同的条件下，焙烧温度以500℃为起点，每次增加50℃，结果（见图2）。焙烧温度增加，CODCr去除率先增加后减少，这是由于煤矸石中富含大量的Al2O3和SiO2，随着反应温度上升，Al2O3和SiO2会与NaOH相互作用发生反应，生成铝酸钠和硅酸钠，硅铝酸钠具有强的吸附性。煤矸石本身存在着一定的孔状结构，而煤矸石中的Al2O3和SiO2与NaOH反应，一部分以离子方式析出后，形成铝酸钠和硅酸钠，导致煤矸石中孔数进一步增多，从而吸附位增加。随着温度进一步上升，孔道内不稳定物质在高温下进行挥发流失，温度过高对吸附剂中吸附位的活性是不利的，一部分因高温会使吸附位活性下降，导致吸附位减少，从而比表面积减小，吸附性能下降。

图2 不同焙烧温度下CODCr去除率

2.3 焙烧时间对吸附性能的影响

在质量配比1：0.5和焙烧温度为600℃条件下，设置焙烧时间分别为 0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h，结果（见图3）。当NaOH和煤矸石焙烧时间为1.5 h时，改性煤矸石的吸附效果最好。

图3 不同焙烧时间下CODCr去除率

2.4 吸附剂加入量对吸附效果的影响

吸附剂用量分别为 0.25 g、0.5 g、0.75 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g、3.0 g，研究结果（见图4）。随着煤矸石吸附剂用量不断增多，CODCr去除率处于先增加后几乎保持不变，这是因为随着煤矸石吸附剂用量不断增多，吸附速率不断增加，CODCr去除率急剧上升。当加入量为1 g以后，吸附率几乎保持不变，改变率很小。溶液中小分子物质进入煤矸石孔道，易被吸附。有机大分子物质无法进入孔道，依然保留在溶液中。综上所述，考虑吸附剂最大资源利用，建议加入量为50 mL/g。

图4 不同吸附剂加入量下CODCr去除率

2.5 XRD物相分析

由煤矸石原料XRD图谱和改性后吸附剂XRD图谱对比（见图5），煤矸石中的高岭石转化成偏高岭石。高岭石属于层状硅酸盐结构，层与层之间由范德华键结合，氢氧根离子在其中结合得较牢固[9]。高岭土在800℃左右加热，高岭土的层状结构因脱水而破坏，形成结晶度较差的过渡相-偏高岭石，处于亚稳状态的偏高岭石无定形硅铝化合物，经过碱改性，硅铝化合物经解聚到再聚合后，会形成类似于地壳中一些天然矿物的铝硅酸盐网状结构。