改性粉煤灰對酸性大紅染料模擬廢水的脫色研究

溫丙奎，劉珊珊，楊鴻凱，馬苑紅，何 江，張豐如

(嘉應學院 化學與環境學院，廣東 梅州 514015)

粉煤灰是火力發電廠燃煤粉鍋爐排出的固體廢棄物，其比表面積大，呈多孔性蜂窩狀組織，因而具有良好的吸附性能，近幾年來被廣泛應用于廢水處理、空氣凈化等環境治理方面[1-6]。

本研究對廣東梅縣某火電廠粉煤灰進行改性，改性后作為吸附劑對酸性大紅染料模擬廢水進行脫色研究，探討粉煤灰改性類型及其投加量、反應溫度、吸附時間、反應pH值、廢水濃度、廢水中NaCl含量等對模擬廢水脫色效果的影響規律及吸附脫色效果，找出最佳吸附處理條件，使粉煤灰達到以廢治廢的目的。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

磁力攪拌器(79-1)；可見分光光度計(722S)；pH計(Phs-3C)；電子天平(AL104)；氣浴恒溫振蕩器(ZD-85)等。

1.2 實驗藥劑

粉煤灰(廣東梅縣某電廠，過200目篩子)；硫酸(H2SO4)；氫氧化鈉(NaOH)；鹽酸(HCl)；酸性大紅染料等。

1.3 酸性大紅溶液的配置和測定

稱取酸性大紅染料0.14 g，移入1000 mL的容量瓶中，用蒸餾水稀釋至標線，搖勻。該模擬廢水的濃度為140 mg/L，吸光度A為2.131，溶液pH值5～5.5。

配置一定量的200 mg/L的酸性大紅標準液，分別移取0、1、2、4、8、16 mL于比色管中，用蒸餾水稀釋至50 mL，則其濃度分別為0、4、8、16、32、64 mg/L，在最大吸收波長500 nm處分別測定各濃度標準液的吸光度。

在縱坐標處繪制吸光度，對應在橫坐標處繪制酸性大紅濃度，得出標準曲線，如圖1所示。

圖1 酸性大紅標準曲線

標準曲線的線性函數式為：y = 0.0151x + 0.0173，線性相關系數R2= 0.9992。實驗過程中根據此標準曲線來計算其吸附后濃度。

1.4 改性粉煤灰的制備

取400 mL濃度為2 mol/L的NaOH與濃度為2 mol/L的HCl作為改性劑溶液，分別投加100 g粉煤灰，在室溫條件下用磁力攪拌器以200 r/min的轉速攪拌30 min，靜置沉淀30 min，抽濾，最后將所得固體洗凈后烘干，碾碎，制得酸、堿改性粉煤灰。

2 實驗部分

移取一定體積的酸性大紅模擬廢水于具塞錐形瓶中并調節至一定pH值，再稱取一定量的吸附劑加入具塞錐形瓶中，然后將錐形瓶置于恒溫振蕩箱中進行振蕩，在一定溫度下，振蕩一定時間后取出，靜置，經定量濾紙過濾后，用可見分光光度計測定濾液的吸光度并計算不同條件下其脫色率，求出處理后廢水濃度。

脫色率的計算公式如下：

上式中A0為初始模擬廢水的吸光度，A為處理后模擬廢水的吸光度，色度采用稀釋倍數法測定。

吸附量的計算公式：

Qe為吸附量(mg/g)，C1為吸附前染料廢水的濃度(mg/mL)，C2為吸附平衡染料廢水的濃度(mg/L)，V為取用染料廢水的體積(mL)，m投加的為吸附劑的質量(g)。

3 結果與討論

3.1 最佳吸附劑選擇結果

在3個100 mL酸性大紅模擬廢水樣中，分別加入未改性粉煤灰、NaOH改性粉煤灰、HCl改性粉煤灰各4 g，于振蕩箱中在溫度為20℃的條件下以200 r/min的轉速振蕩30 min，然后靜置30 min，經定量濾紙過濾后，取濾液測吸光度并計算脫色率，如表1所示。

表1 不同吸附劑對酸性大紅模擬廢水的脫色率

由表1可知，NaOH改性粉煤灰相對于其他兩種粉煤灰，對酸性大紅模擬廢水的脫色效果較好，選為本實驗的吸附劑。

3.2 改性粉煤灰投加量對廢水脫色的影響

分別稱量改性粉煤灰1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 g加入10個盛有100 mL濃度為140 mg/L的酸性大紅模擬廢水的具塞錐形瓶中，于振蕩箱中在溫度為20℃的條件下，以200 r/min的速度進行振蕩，振蕩30 min后取出，經定量濾紙過濾后，取濾液測吸光度并計算脫色率，如表2所示。

由表2可知，隨著吸附劑投加量不斷增加，吸附后濃度不斷降低，脫色率不斷增大，但改性粉煤灰吸附劑的投加量大于7 g以后，脫色率增大不再明顯。所以從處理效果、處理成本等方面綜合考慮，吸附劑的投加量以7 g為宜。

表2 改性粉煤灰投加量與脫色率的關系

3.3 反應溫度對吸附效果的影響

分別取100 mL的濃度為140 mg/L的酸性大紅模擬廢水于5個具塞錐形瓶中，各投加7 g改性粉煤灰，控制溫度20、25、30、35、40℃，在恒溫振蕩箱內以200 r/min的速度進行振蕩，振蕩30 min后取出，經定量濾紙過濾后取濾液測其吸光度并計算脫色率，如表3所示。

由表3可知，改性粉煤灰吸附酸性大紅模擬廢水，隨著溫度升高，脫色率也上升，說明升溫有利于改性粉煤灰對酸性大紅模擬廢水的吸附。但溫度對脫色率影響不大，本文選用常溫20℃作為后續實驗條件。

表3 反應溫度與吸附效果關系

3.4 最佳振蕩吸附時間的確定

分別稱取7 g改性粉煤灰于6個盛有100 mL濃度為140 mg/L的酸性大紅模擬廢水的具塞錐形瓶中，將錐形瓶放入振蕩箱中在溫度為20℃的條件下，以200 r/min的速度進行振蕩，依次在振蕩時間為10、20、30、40、50、60 min時取出，經定量濾紙過濾后，取濾液測其吸光度，并計算脫色率，如表4所示。

表4 振蕩時間與脫色率關系

從表4可知，改性粉煤灰吸附酸性大紅模擬廢水，隨著振蕩時間的增加，脫色率隨著增大，但在振蕩時間超過50 min以后增加不再明顯，本研究認為振蕩50 min為較佳的反應時間，將其作為后續實驗的振蕩時間。

3.5 確定吸附的最佳pH值

移取體積為100 mL的140 mg/L酸性大紅模擬廢水于8個具塞錐形瓶中，用硫酸和氫氧化鈉溶液調節瓶中的pH值，使各錐形瓶中的酸性大紅模擬廢水的pH值分別為2、3、4、5、6、7、8、9，各加入7 g改性粉煤灰倒入錐形瓶后放入振蕩箱中溫度為20℃的條件下，以200 r/min的速度進行振蕩50 min后取出，經定量濾紙過濾后，取濾液測量吸光度并計算脫色率。測量結果如表5所示。

表5 pH值與脫色率的關系

從表5可知，改性粉煤灰吸附酸性大紅模擬廢水，廢水的pH的變化會對脫色率造成影響，當pH值為3時脫色率達到最小值，pH值為7時脫色率最大，本研究認為最佳pH值為7。

3.6 染料廢水濃度對脫色效果的影響

分別稱取7 g改性粉煤灰于6個盛有100 mL濃度分別為100、140、200、300、400、500 mg/L的酸性大紅模擬廢水的具塞錐形瓶中，將pH值調節至7后放入振蕩箱中，在溫度為20℃的條件下，以200 r/min的速度進行振蕩50 min后取出，經定量濾紙過濾后，取其濾液測其吸光度并計算脫色率，結果如表6所示。

表6 廢水濃度與脫色率的關系

從表6可知，改性粉煤灰對酸性大紅模擬廢水的吸附受模擬廢水的濃度影響，隨著模擬廢水濃度的不斷增大，吸附劑脫色效果不斷降低。分析其原因，是因吸附劑投加量不足造成。所以在處理較高濃度印染廢水時，需較大的粉煤灰投加量才能使廢水達到國家標準《紡織染整工業水污染物排放標準》(GB 4287-2012)。

3.7 印染廢水中NaCl的含量對脫色率的影響

移取100 mL濃度為140 mg/L的酸性大紅模擬廢水于6個具塞錐形瓶中，分別加入7 g改性粉煤灰， 再分別往其中5個錐形瓶中投加質量為0.1、0.2、0.5、1、2 g的NaCl，將全部錐形瓶放入振蕩箱中，在溫度為20℃的條件下，以200 r/min的速度進行振蕩50 min后取出，經定量濾紙過濾后，取濾液測量吸光度并計算脫色率。結果如表7所示。

表7 廢水中NaCl含量對脫色的影響

由圖7可知，染料廢水中隨著氯化鈉量的增加，改性粉煤灰對染料廢水中的燃料的吸附性能逐漸降低，脫色率也隨著降低。

4 結論

通過改性粉煤灰對印染廢水的吸附脫色處理的研究中得出：

(1)廢水的濃度越高需要投加的改性粉煤灰的量也越多，或稀釋廢水后再進行吸附處理。

(2)吸附質溫度會對吸附效果造成一定影響。實驗發現，吸附質的溫度較高時，吸附效果較好，現實中由于印染加工大多在高溫條件下進行，排放廢水的水溫一般比較高，所以用改性粉煤灰對溫度較高的印染廢水進行吸附時，不需要做降溫預處理。

(3)印染廢水中的氯化鈉含量過高，會導致粉煤灰的吸附能力降低，脫色率降低，因此要盡量除鹽。

(4)試驗后得出了該種改性粉煤灰最佳脫色條件是：在pH值為7的時，每100 mL酸性大紅模擬廢水投加7 g改性粉煤灰，振蕩吸附50 min后，改性粉煤灰對酸性大紅染料廢水的吸附能力強，脫色效果最好。脫色后印染廢水可以達到國標《紡織染整工業水污染物排放標準》(GB 4287-2012)的間接排放標準。

(5)改性粉煤灰作為吸附劑能除去印染廢水中大部分的色度，通過改性的方法改變粉煤灰的吸附性能，能使粉煤灰達到較好的吸附性能，當模擬廢水濃度較高時也能達到較好的脫色效率，有很好的應用前景。