改性粉煤灰制备及对刚果红吸附性能的综合实验设计

田会娟，郭丰艳，苑丽质

（唐山学院 新材料与化学工程学院，河北 唐山 063000）

随着纺织、印刷及造纸工业等现代工业的发展，导致大量含有染料的工业废水排放到自然界，这些印染废水混合在地表水和地下水系统中，造成水环境的污染，危害人体健康[1]。偶氮染料是使用最广泛的染料之一，会引起过敏性皮炎、皮肤刺激、癌症和突变等。因此，如何科学有效地去除水中染料污染成为亟待解决的问题。研究者们开发了吸附法、氧化法、反渗透法、混凝絮凝法、生物法等多种方法来处理含染料废水[2-5]，其中吸附法具有操作简单，吸附效率高等优点，近年来备受青睐。常用的吸附剂主要有活性炭、蒙脱土、膨润土、离子交换树脂、粉煤灰等材料[6-10]。

粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，已成为我国当前排量较大的工业废渣之一。粉煤灰处理不当会破坏生态系统，对水和土壤造成污染，其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。但粉煤灰可资源化利用，如作为混凝土的掺合料等。大部分粉煤灰用于土木工程和陶瓷工业。富含二氧化硅和氧化铝的粉煤灰能有效去除各种染料和重金属。近年来，研究者不断探索粉煤灰改性后作为吸附剂在废水处理工艺中的应用[11]。

刚果红是典型的双偶氮染料，属染料废水中代表性的污染物之一。本实验设计了焙烧-水热法改性粉煤灰对废水中刚果红染料进行吸附处理，不仅可以解决粉煤灰带来的固废问题，又能缓解因染料而引起的水环境污染问题。本实验将理论知识、实验设计和操作及产物表征方法等内容有机结合，激发学生的学习兴趣，提高学生动手能力，培养学生科学思维和绿色发展观[12-13]。

1 实验设计

1.1 实验目的

（1）让学生查阅资料，了解粉煤灰的性质、改性方法和应用，了解印染废水中刚果红的性质及常见废水处理方法，锻炼学生文献调研和分析的能力，同时让学生了解固废和废水的危害及固废资源化利用。

（2）掌握焙烧-水热改性方法，学会采用软件对实验数据处理和分析，能利用已学的知识分析实验结果，撰写学术论文。

（3）了解常用表征方法，掌握红外光谱测定方法，能进行绘图和图谱分析。

1.2 实验试剂和仪器

试剂及原料：刚果红、氢氧化钾，均为分析纯，购自天津市大茂化学试剂厂；去离子水为实验室自制；粉煤灰为粉末状，粒径小于100 μm，取自唐山电厂。

刚果红是一种阴离子偶氮染料，分子量为696.7，结构式如图1所示。

图1 刚果红的结构式

仪器：分析天平（FA2204B，上海精密科学仪器有限公司）；电热鼓风干燥箱（101-OA，天津市泰斯特仪器有限公司）；红外光谱仪（VERTEX70，德国布鲁克）；紫外可见分光光度计（UV2600，日本岛津）；马弗炉（SX2-4-10N，上海一恒科学仪器有限公司）。

1.3 实验步骤

1.3.1 吸附剂的制备

将等比例的粉煤灰和KOH 充分研磨，用小坩埚盛放研磨后的物质，随后放入800℃的马弗炉中焙烧。焙烧后的样品置于烧杯中，加入去离子水，放入水热反应釜中，并将反应釜放入干燥箱中反应4 h 后取出，冷却至室温，离心，多次洗涤、离心后放入蒸发皿中，随后在60℃的干燥箱中进行干燥，即得样品。采用红外光谱分析改性前后粉煤灰的官能团变化。

1.3.2 标准曲线的绘制

在最大吸收波长500 nm 下，采用紫外可见分光光度计依次测定不同浓度刚果红溶液的吸光度。以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作图并进行线性拟合，得到如图2 所示的标准曲线。由图2 可知，刚果红在0～200 mg/L 浓度范围内与吸光度线性关系较好，拟合方程为y=0.020 8+0.020 8x，相关系数R2=0.999 3，该曲线可用于待测溶液中刚果红浓度的测定。

图2 刚果红溶液浓度与吸光度的标准曲线

1.3.3 吸附性能实验

取改性后的粉煤灰样品于锥形瓶中，加入25 mL初始浓度为75 mg·L-1的刚果红溶液，在一定温度下搅拌，搅拌一定时间后，离心机离心后取上清液，测定吸光度，去除率计算公式如式（1）所示：

式中：c0为初始溶液中的刚果红浓度，mg/L；c 为吸附后溶液中的刚果红浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

为了分析粉煤灰改性前后化学组成的变化，利用红外光谱对粉煤灰及改性粉煤灰进行了表征，如图3 所示。由图3 可看出，改性后峰强度明显增强，指纹区出现窄而强的吸收峰。992 cm-1、694 cm-1、481 cm-1处的吸收峰分别是Si-O-Si 和Si-O（Al）的不对称和对称伸缩振动峰。大量的官能团使改性粉煤灰具有良好的吸附性能[14]。

图3 粉煤灰及改性粉煤灰的红外谱图

2.2 改性粉煤灰添加量对去除率的影响

分别取粉煤灰和改性粉煤灰样品各10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg、60 mg 于锥形瓶中，加入25 mL 初始浓度为75 mg·L-1的刚果红溶液，在30℃下搅拌2 h后，离心后取上清液，用紫外可见分光光度计测吸光度，结果如图4所示。

图4 改性粉煤灰添加量对去除率的影响

由图4 可明显看出，随着吸附剂添加量的增加，去除率先增加而后基本不变，说明改性粉煤灰吸附性能效果好，去除率明显高于相同添加量的粉煤灰。改性粉煤灰为40 mg 时，去除率为80.5%。粉煤灰的主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3等，与碱性物质焙烧和水热法处理后，转化为硅酸盐和铝酸盐，结构得以改善，提高了吸附性能。

2.3 吸附温度对去除率的影响

称取四份相同质量（40 mg）的粉煤灰于锥形瓶中，加入25 mL 初始浓度为75 mg·L-1的刚果红溶液，分别在30℃、50℃、70℃、90℃下磁力搅拌2 h后，离心机离心后取上清液，测量吸光度，结果如图5 所示。由图5 可知，当吸附温度为30℃时，去除率为80.5%。随着吸附温度的升高，去除率逐渐降低。改性粉煤灰对刚果红染料的吸附过程可能是放热的[15]，随着温度的升高，吸附性能降低。由于高温不宜于粉煤灰对刚果红染料的吸附，所以可在常温或者适当低温下进行吸附。

图5 吸附温度对去除率的影响

2.4 吸附时间对去除率的影响

取40 mg 样品于锥形瓶中，加入25 mL 初始浓度为75 mg·L-1的刚果红溶液，在30℃下磁力搅拌一定时间，测定不同吸附时间对去除率的影响，如图6所示。由图6 可知，去除率随吸附时间先升高，至60 min 左右几乎保持平稳，达到吸附平衡时，去除率为81.51%。吸附开始时，吸附表面均匀无污染，吸附剂和吸附质之间无阻碍，吸附速度较快。一段时间后，吸附剂表面由于吸附了染料分子，致使溶液中染料分子不利于吸附，吸附速度会变慢。因此改性粉煤灰对刚果红的最佳吸附时间为60 min。

图6 吸附时间对去除率的影响

3 结束语

本实验围绕固废和水环境污染问题，采用焙烧-水热法对粉煤灰进行改性，并研究了其对废水中刚果红的吸附性能。实验操作简单，但意义重大。通过本实验实现了粉煤灰的资源化利用，既解决了固废的危害又解决了废水处理问题，符合我国“碳中和、碳达峰”的产业政策。本实验锻炼了学生文献查阅、实验操作、仪器分析、数据分析等方面的能力，同时培养了学生的环保意识和节能减排发展观。