粉煤灰吸附材料處理含重金屬廢水初步探討

譚燕宏

（營口職業技術學院環境化學工程系，遼寧營口 115000）

傳統的重金屬污染廢水處理技術包括化學沉淀、滲透膜、離子交換、活性炭吸附和共沉淀吸附等，但這些方法的成本普遍較高。近年來，環境工程界越來越重視廉價高效替代技術的研究及其實際工程應用，新型價廉的環境礦物吸附材料的開發應用是目前研究的熱點和重點。目前已開發出不少新型的礦物吸附材料，具有吸附容量大，吸附速度快，價格便宜，原料來源廣泛，使用方便，性能穩定，無毒害等優點。

環境礦物吸附材料的突出優點是成本低，來源廣泛，可重復使用，吸附的重金屬可回收，不產生廢物，無二次污染，屬于典型的清潔生產技術，具有廣闊的應用前景。粉煤灰對溶液中吸附質的吸附包括三個連續的過程。第一為顆粒外部擴散過程，吸附質由溶液擴散到吸附劑表面；第二為孔隙擴散過程，吸附質在粉煤灰孔隙中繼續向吸附點擴散；第三為吸附反應過程，吸附質被吸附在粉煤灰孔隙的內表面上。根據對粉煤灰吸附染料廢水的試驗結果，吸附速率由第二過程即孔隙擴散階段所控制。

1 實驗材料

粉煤灰是一種工業廢渣，是從燒煤粉的鍋爐煙氣中收集的粉狀灰粒，它細度較小且有著較高的比表面積，具有一定的吸附能力。粉煤灰主要是 由SiO2、Al2O3、FeO+Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、Na2O、SO3、MnO等組成的海綿狀和球狀的細小顆粒。單個粉煤灰的粒徑約為2.5~300μm，平均幾何粒徑為40μm。從物理結構看，粉煤灰是一種多孔性物質，比表面積大，一般為500~5000cm2/g。

2 試驗方法

通過單因素實驗確定振蕩時間、吸附劑的吸附用量、溫度、粉煤灰的混合比等對含重金屬廢水處理效果的影響。從而確定最佳的實驗室工藝條件，作為現場試驗的參考。

2.1 模擬廢水

模擬廢水制備過程：取1mg/ml的銅標準貯備液9ml，移入1000ml的容量瓶中，用水稀釋至標線，搖勻。所得銅溶液的濃度為9mg/L，即為模擬水樣。在250ml錐形瓶中加入一定量的粉煤灰，然后再加入100ml 濃度為9mg/L 的模擬廢水，在100r/min左右條件下振蕩一定時間后，用離心機分離上層清液，用二乙氨基二硫代甲酸鈉萃取分光光度法測定上清液中Cu2+的吸光度。根據吸附后的吸光度值，計算Cu2+的去除率。

2.2 實際廢水

將試劑溶于蒸餾水中，稀釋至250ml，溶液應保存在低于80℃的環境中。溶液中有沉淀、發霉不能繼續使用。首先對PH標準緩沖試劑進行配制，后對pH測定儀進行標定，選擇范圍在4~7之間，然后對廢水進行pH測定。由試驗可知，實際廢水的pH值為6.44。在250ml錐形瓶中加入一定量的粉煤灰，然后再加入150ml實際廢水樣，在100r/min左右的條件下振蕩一定時間后，用離心機分離上層清液，用二乙氨基二硫代甲酸鈉萃取分光光度法測定上清液中Cu2+的吸光度。根據吸附后Cu2+的吸光度值，計算Cu2+的去除率。

3 實驗結果分析與討論

3.1 模擬廢水試驗

3.1.1 吸附時間對粉煤灰吸附性能的影響

取粉煤灰5 份各7.5g 于250ml 錐形瓶中，各加入150ml 含Cu2+9mg/L 的模擬廢水樣，室溫條件下，在100r/min左右的條件下振蕩不同時間后，用離心機分離，測定上清液中Cu2+的吸光度，計算其對Cu2+的去除率。振蕩時間分別為：20min、30min、40min、1h、2h。粉煤灰的吸附時間對去除率的影響見圖1。

圖1 粉煤灰的吸附時間與去除率的關系

從圖1中可以看到，隨著粉煤灰吸附時間的增加，Cu2+的去除率逐漸升高，在30min和40min之間有一個稍微變緩的趨勢。40min后去除率仍在增加，但增加的幅度不大，考慮到實際生產的應用需要，較好的吸附時間應定在30min左右。

3.1.2 吸附劑用量對粉煤灰吸附性能的影響

取粉煤灰5份若干克于250ml錐形瓶中，各加入150ml含Cu2+9mg/L的模擬廢水樣，室溫條件下，在100r/min左右的條件下振蕩不同時間后，用離心機分離，測定上清液中Cu2+的吸光度，計算其對Cu2+的去除率。吸附劑用量分別為：0.5g、1g、3g、5g、7g 。粉煤灰的吸附用量對去除率的影響見圖2。

圖2 吸附劑用量與去除率的關系

從圖2中可以看到，去除率隨著粉煤灰的吸附用量的增加而增加。吸附劑用量在20g/L 之內時，去除率增加的幅度很大，吸附劑用量在20g/L以后逐漸變緩，但仍有增加的趨勢。從吸附劑用量經濟、有效性考慮，在30g/L附近時，去除率達到了80%以上，吸附劑用量又不是太多，可以認為30g/L左右為較好的吸附劑用量的值。

3.2 實際廢水試驗

分別取150ml 廢水，對粉煤灰進行吸附，處理實際廢水，考察各因素對去除率的影響。

3.2.1 吸附時間對粉煤灰吸附性能的影響

分別取7.5克粉煤灰，放入150ml廢水中，室溫條件下，在100r/min左右的條件下振蕩不同時間后，用離心機分離，測定上層清液中Cu2+的濃度，計算Cu2+的去除率。 粉煤灰的吸附時間對去除率的影響見圖3。

圖3 粉煤灰吸附時間與去除率的關系

從圖3 中可以看到，隨著吸附時間的增加，吸附率先增加，后基本持平。雖然1h時，吸附率達到最大，但與之相比較可以看出，30分鐘以后吸附率變化不大，且排放率均達到了國家安全排放標準，從實際生產中考慮，傾向于選擇30、40分鐘，為較好的吸附時間。

3.2.2 吸附劑用量對粉煤灰吸附性能的影響

分別取0.75、1.5、4.5、7.5、10.5 克粉煤灰，放入150ml實際廢水中，室溫條件下，在100r/min左右的條件下振蕩30分鐘后，用離心機分離上層清液，用ICP—AES法測定吸附后Cu2+的濃度，計算Cu2+的去除率。粉煤灰的吸附劑用量對去除率的影響見圖4。

圖4 吸附劑用量與去除率的關系

從圖4中可以看到，隨著吸附劑用量的增加，去除率也隨著增加。在10g/L與50g/L處都有一個轉折。考慮到實際應用的需要，認為吸附劑用量為30g/L時較好，即達到了一個很高的去除率，需要的吸附劑用量又不大。

3.3 正交試驗結果與分析

粘土礦物吸附重金屬所涉及的因素很多，如振蕩時間、溫度、吸附劑的用量等。對這種多因素影響的反應，既要得到最佳的吸附效果，又要盡量減少工作量，最好采用正交試驗的方法。

3.3.1 試驗設計

根據各因素試驗結果，設計一組正交試驗確定其他各因素對去除率的影響及最佳水平組合。水樣濃度為9mg/L，設計三因素四水平，選擇正交試驗表安排試驗。將因素、水平隨機列成下表1。

表1 正交試驗因素水平表

3.3.2 結果與分析

將正交試驗計劃表的各種條件進行試驗，結果列成表，并進行極差分析。粉煤灰的正交試驗見表2。

表2 粉煤灰吸附的正交試驗

3.4 結論與展望

本試驗結論：粉煤灰具有較高的吸附活性，可作為廢水中金屬離子的吸附劑。從單因素試驗可得：利用粉煤灰作為吸附劑，30分鐘為較好的吸附時間，去除率達到94%；30g/L為較好的吸附劑用量，去除率達到了94.2%。根據正交試驗結果分析，處理含重金屬廢水的主要影響因素是吸附劑的用量。對于粉煤灰，最佳水平組合為在25℃的條件下，粉煤灰用量為30g/L，吸附30min，吸附后Cu2+濃度為0.2mg/L，去除率為97.8%。通過以上結論可知，利用粉煤灰處理含重金屬廢水具有廣闊的應用前景，利用工業廢渣粉煤灰處理含重金屬離子廢水具有以廢治廢、原料來源廣泛、價格低廉等優點。