改性煤矸石吸附剂吸附工业废水氨氮、COD 的实验研究

2023-10-11吉培

山西化工 2023年9期

吉培

（霍州煤电集团兴盛园煤业有限责任公司，山西临汾 031400）

0 引言

在整个煤矿工业流程中，煤炭的开采环节会产生大量的煤矸石，而煤炭的加工环节则会产生大量的焦化废水，如煤矸石和焦化废水未得到及时有效处理，则会对环境产生较为突出的污染问题，而以往的处理模式则不尽如人意[1-2]。为此，利用煤矸石的吸附性能对焦化废水进行处理则是一个切实可行的途径。在本次研究中，将依据这一理念，将煤矸石进行改性处理后制备为吸附剂，并在深度处理阶段对焦化废水进行处理，以除去其中大量的氨氮和COD，实现更为有效的废水处理过程。

1 实验设计与方法

1.1 实验试剂与仪器

本次实验的原材料煤矸石和焦化废水均取自某煤矿企业，实验过程中使用的去离子水为自制。同时，本次实验使用的药品包括浓盐酸、浓硫酸、氯化铵、氢氧化钠、氯化锌、碘化钾、重铬酸钾等，以上药品纯度均为分析纯，均采购自国药集团化学试剂有限公司。

除上述实验药品外，本次实验中所使用的主要仪器设备如表1 所示。

表1 主要实验仪器设备

1.2 改性煤矸石的制备

改性煤矸石的制备主要分为以下几个步骤：

1）使用去离子水冲洗煤矸石表面除去灰尘，并烘干，再用粉碎机对煤矸石进行粉碎处理；

2）使用100 目（150 mm）筛对粉碎后的煤矸石进行筛选，并使用氯化锌溶液与筛选后的煤矸石进行充分混合，置于马弗炉中，以600 ℃进行煅烧2 h；

3）煅烧完成后取出自然冷却，并使用硫酸酸化回流1 h，而后冲洗至中性并烘干；

4）烘干后的煤矸石使用研钵研磨成粉末，收集60 目（0.25 mm）以下的颗粒装入密封袋，并保存在干燥器中，即获得改性煤矸石吸附剂[3]。

2 改性煤矸石吸附氨氮和COD 的实验分析

2.1 吸附氨氮的实验分析

在实验中，将一定量的改性煤矸石投入到焦化废水中，一定时间后对氨氮含量进行测定，并采用控制变量法对影响吸附效果的因素进行分析：

一是对改性煤矸石添加量的影响进行分析。分析结果如图1 所示。

图1 不同添加量对吸附效果的影响

根据图1 可知，随着添加量的提高，氨氮的去除率也随之提升，同时单位质量的改性煤矸石对氨氮的吸附量也进一步增加。初步推断，原因是在投入较多的改性煤矸石后，反应体系下具有更多的吸附位点，而提升了氨氮的去除率。从变化曲线来看，在改性煤矸石投加量超过10 g/L 后，氨氮去除率上升明显放缓，因此10 g/L 的添加量最为可行。

二是对pH 值的影响进行分析。分析结果如图2所示。

图2 不同pH 对吸附效果的影响

从图2 可知，随着pH 值的不断增长，氨氮去除率也呈现上升态势，其主要原因是，当pH 增大后，氨氮的存在形式倾向于游离氨，且在碱性条件下，煤矸石表面也存在较多负电荷，使得吸附效果也相对较优[4-5]。综上所述，在本次研究中确定最适的pH 值为9.0。

三是对温度的影响作用进行分析。分别在15、25、35 ℃3 个不同温度下，对改性煤矸石的氨氮去除率进行测定，测定结果如表2 所示。

表2 不同温度下改性煤矸石的氨氮去除率分析

从表2 中的数据可知，随着温度的升高，改性煤矸石在氨氮去除率和氨氮吸附量两项指标上均呈现明显上升的态势，证明温度升高对提升上述两项指标具有重要作用。

2.2 吸附COD 的实验分析

在本环节的实验中，将一定量的改性煤矸石投入到焦化废水中，一定时间后对氨氮含量进行测定，并采用控制变量法对影响吸附效果的因素进行分析：

一是分析投加量对吸附效果的影响。分析结果如图3 所示。

图3 不同投加量下的COD 吸附效果

根据图3 可知，随着添加量的提高，COD 的去除率也随之提升，同时单位质量的改性煤矸石对COD的吸附量也进一步增加。初步推断，原因是在投入较多的改性煤矸石后，反应体系下具有更多的吸附位点，而提升了COD 的去除效果。相对来看，在添加量超过24 g/L 时，COD 的去除率几乎不再增长，因此确定在COD 吸附实验中的最优添加量为24 g/L。

二是对pH 值的影响进行分析。分析结果如图4所示。

图4 不同pH 值下的COD 吸附效果

从图4 可见，随着pH 值的上升，改性煤矸石的COD 吸附效果呈现明显下降的态势，这与氨氮吸附随pH 的变化情况截然相反。初步推断，造成这种变化的主要原因是，当pH 值较高时，改性煤矸石面的负电荷与COD 中酚类物质的OH-产生排斥作用，造成吸附效果不甚理想。结合去除效果综合考虑后，确定在去除COD 条件下，pH=5.0 作为后续吸附实验的参数。

三是对温度的影响进行分析。分别在15、25、35 ℃3 个不同温度下，对改性煤矸石的COD 去除率进行测定，测定结果如表3 所示。

表3 不同温度下改性煤矸石的COD 去除率分析

从表3 中的数据可知，随着温度的升高，改性煤矸石在COD 去除率和COD 吸附量两项指标上均呈现明显上升的态势，证明温度升高对提升上述两项指标具有重要作用。

3 实际应用及讨论

结合以上研究结果，研究人员决定对本次制备的改性煤矸石的实际应用效果进行测试，本次在某煤化工企业取两种已进行生化处理后的焦化废水水样进行分析，两种水样的基本水质情况如表4 所示。

表4 焦化废水水样水质情况

为兼顾改性煤矸石对氨氮和COD 的吸附效果，本次确定煤矸石投加量为36g/L，水样pH 值调节为7.0，由此进行吸附实验，吸附结果如表5 所示。

表5 改性煤矸石的实际吸附效果

从表5 的数据可知，本次实际测试中，改性煤矸石对氨氮和COD 的处理效果稍低于前文中的实验结果，这与实际废水成分复杂不无关联。但整体来看，处理结果仍然较优，能够确保处理后的氨氮和COD 值均低于GB 16171—2012 的标准要求，证明本次制备的改性煤矸石在处理废水中氨氮和COD 时具有一定的现实应用价值。