廢水處理中酸改性粉煤灰的應(yīng)用研究

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摘要：粉煤灰具有比表面積大、多孔性蜂窩狀組織形貌、活性氧化物成分等獨(dú)特的理化性能，通過簡單改性即可大幅提升其吸附性能，因此在廢水處理方面具有很大的應(yīng)用價值。文章概述了粉煤灰的理化性能，酸改性粉煤灰吸附機(jī)理，以及酸改性粉煤灰在廢水處理中的應(yīng)用，并提出了需進(jìn)一步研究的課題。

關(guān)鍵詞：粉煤灰；酸改性；廢水；吸附

我國是產(chǎn)煤和用煤大國，每年的排灰量巨大，約6億噸，不僅污染環(huán)境，也造成了潛在資源的浪費(fèi)。我國粉煤灰主要用于建材、筑路回填等領(lǐng)域，附加值低，近年來，以粉煤灰為原料開發(fā)高附加值產(chǎn)品越來越受到重視。粉煤灰具有獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，物理性質(zhì)方面，含有細(xì)微炭粒，呈多孔性蜂窩狀組織形貌，化學(xué)性質(zhì)方面，含有氧化硅、氧化鋁、氧化鈣等活性成分，具有一定吸附活性，因此粉煤灰應(yīng)用于廢水處理有其獨(dú)特的優(yōu)勢。然而粉煤灰直接用于處理廢水其吸附效果不佳[1]，因此需要進(jìn)行改性，主要方法有酸改性、堿改性、熱改性等，本文就酸改性粉煤灰在廢水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展作簡要綜述。

1粉煤灰分類

粉煤灰按照燃煤電廠鍋爐類型不同，可分為煤粉爐粉煤灰和循環(huán)流化床粉煤灰。由于兩種鍋爐的燃燒溫度分別約為1300℃和900℃，因此產(chǎn)生的粉煤灰的物理性能差異較大，表1為兩種粉煤灰安息角、真密度、比表面積等物理性質(zhì)數(shù)據(jù)。由表可見，循環(huán)流化床灰較煤粉爐灰比表面積大、活性成分多，因此具有更佳的酸溶活性。

2酸改性粉煤灰的吸附機(jī)理

粉煤灰的酸改性是酸與粉煤灰中的活性成分反應(yīng)，多數(shù)改性研究選用鹽酸、硫酸或兩者混酸，也有選用HNO3、HBr、HAc為改性劑。

2.1鹽酸改性

粉煤灰主要含有鋁、硅、鐵、鈣等元素，鹽酸能夠與粉煤灰中除硅以外大部分氧化物反應(yīng)，浸出后溶液中離子以氯化物鹽為主，反應(yīng)方程式可以寫作下式，鹽酸改性會導(dǎo)致鈣含量下降。

2.2硫酸改性

硫酸改性時，硫酸能夠與粉煤灰中除硅以外大部分氧化物反應(yīng)，浸出后溶液中離子以硫酸鹽為主，反應(yīng)方程式可以寫作下式，硫酸改性粉煤灰中參與反應(yīng)的鈣形成CaSO4•2H2O，硫酸改性可以有效固定鈣離子，有助于效脫含磷廢水中的磷。

2.3酸改性對粉煤灰吸附性的影響

酸改性將粉煤灰中的鋁、鐵、鈣等成分浸出，使粉煤灰中產(chǎn)生空缺的位置，改變粉煤灰中Al-O-Al以及Si-O-Si鍵的間距，增大晶面間距[3]；酸進(jìn)入到粉煤灰表面的孔隙中，溶解堵塞孔隙的雜質(zhì)。改性后顆粒表面的空洞和凹槽量增加，表明凹凸不平[4]。改性增大了粉煤灰比表面積[5]和孔隙率，有利于發(fā)生物理吸附；酸改性后的粉煤灰zeta電位由負(fù)電變?yōu)檎?，在pH值1~10范圍內(nèi)與帶負(fù)電的污染物離子發(fā)生靜電吸附作用[6]；酸改性過程中形成AlCl3、Al2(SO4)3、H2SiO3等鹽，易形成絡(luò)合物，在吸附過程中起到絮凝沉淀作用[7]。

3酸改性粉煤灰在廢水處理中的應(yīng)用

3.1生活廢水

生活污水是居民日常生活排放的污水，其危害主要包括需氧有機(jī)物污染、原物污染、富營養(yǎng)化污染。金星等[8]以硫酸和鹽酸的混酸為改性劑，改性粉煤灰處理COD濃度314.74mg/L的廢水，用灰量為100g/L（溶液），時，廢水COD的吸附率75.4%，粉煤灰改性后其吸附能力提高約3倍。李嘉偉[9]用2mol/L硫酸改粉煤灰，處理COD濃度350mg/L~400mg/L的污水，用灰量為150g/L時，廢水COD去除率達(dá)84%。

3.2含鉛、鉻（VI）等重金屬廢水

重金屬污染是指化工、冶金、機(jī)械制造等工業(yè)生產(chǎn)中排放的污水中含有鉛、鉻（VI）、銅、鎘、錳等重金屬元素，是對人類危害最大的工業(yè)廢水之一。劉鵬等[10]采用2.5mol/L硫酸改性的粉煤灰，灰投加量3g/L（溶液），廢水的初始鉛濃度100mg/L、pH值為8，廢水中鉛的去除率為86.3%。強(qiáng)等[11]采用3mol/L鹽酸改性的粉煤灰，灰投加量6g/L（溶液），廢水的初始鉻（VI）濃度10mg/L、pH值為2~4，廢水中鉻的去除率為96.5%。認(rèn)為弱酸性環(huán)境更有利于吸附，溶液pH值過大時OH-與鉻（Ⅵ）產(chǎn)生競爭吸附。

3.3含磷廢水

含磷廢水主要來源于生活廢水、工業(yè)廢水以及畜牧業(yè)和農(nóng)田排水。水中磷超標(biāo)后，會引起水體富營養(yǎng)化。曾春慧等[12]采用2mol/L硫酸改性的粉煤灰/爐渣，灰投加量2g/L（溶液），模擬含磷廢水的初始磷濃度10mg/L、pH值為8，廢水中磷的去除率為93%。余榮臺等[4]采用鹽酸和硫酸的混酸對粉煤灰進(jìn)行改性，改性灰投加量15g/L（溶液），模擬含磷廢水的初始磷濃度30mg/L、pH值為7，廢水中磷的去除率為96%。

3.4含有機(jī)染料廢水

工業(yè)染料廢水來源于制造染料、顏料的生產(chǎn)過程。我國染料產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的70%，而每生產(chǎn)1噸染料約產(chǎn)生廢水30m3~100m3，該類型廢水種類繁多，性質(zhì)各異，共同特點(diǎn)是難生物降解、色度深、對人的健康有害。賈艷萍等[5]采用混酸（VHCl/=1:1）對粉煤灰進(jìn)行改性，改性灰投加量15g/L（溶液），模擬染料廢水的pH值為6~8，廢水中COD去除率為64%、脫色率為84%。王占華等[13]采用2mol/L鹽酸對粉煤灰進(jìn)行改性，改性灰投加量20g/L（溶液），大紅染料廢水的初始濃度30mg/L、pH值為2，廢水中大紅染料脫色率為97.72%。

3.5含抗生素廢水

磺胺抗生素是一類人工合成的抗菌藥，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和水產(chǎn)養(yǎng)殖等行業(yè)，在其生產(chǎn)、使用過程中產(chǎn)生含抗生素廢水，目前磺胺抗生素在自然環(huán)境中不斷被檢出，對生態(tài)環(huán)境造成威脅。凌琪等[14]采用鹽酸和硫酸的混酸對粉煤灰進(jìn)行改性，改性灰投加量160g/L（溶液），初始磺胺二甲基嘧啶濃度10mg/L、pH值為6，廢水中磺胺二甲基嘧啶的去除率為89.85%，可以一定程度解決水中抗生素的污染。

4展望

粉煤灰作為一種多孔材料可以吸附廢水中的污染物，通過簡單的酸改性即可使其處理廢水的能力明顯提升，同時酸改性粉煤灰應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域也取得了很大的進(jìn)展，呈現(xiàn)出吸附性能好、節(jié)約資源、成本低的優(yōu)勢。但改性粉煤灰在廢水處理中的應(yīng)用還存在一些課題需要深入研究。（1）煤粉爐粉煤灰與循環(huán)流化床粉煤灰有很大的酸溶活性差異，因此兩種改性粉煤灰的吸附性能也會有差異，需要開展對比研究。（2）粉煤灰改性過程中，部分可溶性氧化物與酸反應(yīng)進(jìn)入到浸出液中，包括鋁、鈣等常量元素以及多種重金屬元素。如何處理酸改性粉煤灰產(chǎn)生的浸出液逐漸成為新的問題。（3）改性粉煤灰使用后，吸附了廢液中的有害物質(zhì)，若使用過的粉煤灰處理不當(dāng)，會再次產(chǎn)生污染。如何高效再生以及無害化回收改性粉煤灰，需要進(jìn)一步研究。（4）高鋁粉煤灰酸法提取鋁及有價金屬元素成為研究熱點(diǎn)，然而如何處理提取鋁后殘?jiān)蔀楫a(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)之一。粉煤灰提取鋁后的殘?jiān)哂斜缺砻娣e大、活性高的特點(diǎn)，是潛在的處理廢水的吸附材料，需要開展相關(guān)理論和應(yīng)用研究。

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作者：王宏賓 杜艷霞 單位：神華準(zhǔn)能資源綜合開發(fā)有限公司