改性粉煤灰制備及對剛果紅吸附性能的綜合實驗設計

田會娟，郭豐艷，苑麗質

（唐山學院 新材料與化學工程學院，河北 唐山 063000）

隨著紡織、印刷及造紙工業等現代工業的發展，導致大量含有染料的工業廢水排放到自然界，這些印染廢水混合在地表水和地下水系統中，造成水環境的污染，危害人體健康[1]。偶氮染料是使用最廣泛的染料之一，會引起過敏性皮炎、皮膚刺激、癌癥和突變等。因此，如何科學有效地去除水中染料污染成為亟待解決的問題。研究者們開發了吸附法、氧化法、反滲透法、混凝絮凝法、生物法等多種方法來處理含染料廢水[2-5]，其中吸附法具有操作簡單，吸附效率高等優點，近年來備受青睞。常用的吸附劑主要有活性炭、蒙脫土、膨潤土、離子交換樹脂、粉煤灰等材料[6-10]。

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。隨著電力工業的發展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加，已成為我國當前排量較大的工業廢渣之一。粉煤灰處理不當會破壞生態系統，對水和土壤造成污染，其中的有毒化學物質還會對人體和生物造成危害。但粉煤灰可資源化利用，如作為混凝土的摻合料等。大部分粉煤灰用于土木工程和陶瓷工業。富含二氧化硅和氧化鋁的粉煤灰能有效去除各種染料和重金屬。近年來，研究者不斷探索粉煤灰改性后作為吸附劑在廢水處理工藝中的應用[11]。

剛果紅是典型的雙偶氮染料，屬染料廢水中代表性的污染物之一。本實驗設計了焙燒-水熱法改性粉煤灰對廢水中剛果紅染料進行吸附處理，不僅可以解決粉煤灰帶來的固廢問題，又能緩解因染料而引起的水環境污染問題。本實驗將理論知識、實驗設計和操作及產物表征方法等內容有機結合，激發學生的學習興趣，提高學生動手能力，培養學生科學思維和綠色發展觀[12-13]。

1 實驗設計

1.1 實驗目的

（1）讓學生查閱資料，了解粉煤灰的性質、改性方法和應用，了解印染廢水中剛果紅的性質及常見廢水處理方法，鍛煉學生文獻調研和分析的能力，同時讓學生了解固廢和廢水的危害及固廢資源化利用。

（2）掌握焙燒-水熱改性方法，學會采用軟件對實驗數據處理和分析，能利用已學的知識分析實驗結果，撰寫學術論文。

（3）了解常用表征方法，掌握紅外光譜測定方法，能進行繪圖和圖譜分析。

1.2 實驗試劑和儀器

試劑及原料：剛果紅、氫氧化鉀，均為分析純，購自天津市大茂化學試劑廠；去離子水為實驗室自制；粉煤灰為粉末狀，粒徑小于100 μm，取自唐山電廠。

剛果紅是一種陰離子偶氮染料，分子量為696.7，結構式如圖1所示。

圖1 剛果紅的結構式

儀器：分析天平（FA2204B，上海精密科學儀器有限公司）；電熱鼓風干燥箱（101-OA，天津市泰斯特儀器有限公司）；紅外光譜儀（VERTEX70，德國布魯克）；紫外可見分光光度計（UV2600，日本島津）；馬弗爐（SX2-4-10N，上海一恒科學儀器有限公司）。

1.3 實驗步驟

1.3.1 吸附劑的制備

將等比例的粉煤灰和KOH 充分研磨，用小坩堝盛放研磨后的物質，隨后放入800℃的馬弗爐中焙燒。焙燒后的樣品置于燒杯中，加入去離子水，放入水熱反應釜中，并將反應釜放入干燥箱中反應4 h 后取出，冷卻至室溫，離心，多次洗滌、離心后放入蒸發皿中，隨后在60℃的干燥箱中進行干燥，即得樣品。采用紅外光譜分析改性前后粉煤灰的官能團變化。

1.3.2 標準曲線的繪制

在最大吸收波長500 nm 下，采用紫外可見分光光度計依次測定不同濃度剛果紅溶液的吸光度。以濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標作圖并進行線性擬合，得到如圖2 所示的標準曲線。由圖2 可知，剛果紅在0～200 mg/L 濃度范圍內與吸光度線性關系較好，擬合方程為y=0.020 8+0.020 8x，相關系數R2=0.999 3，該曲線可用于待測溶液中剛果紅濃度的測定。

圖2 剛果紅溶液濃度與吸光度的標準曲線

1.3.3 吸附性能實驗

取改性后的粉煤灰樣品于錐形瓶中，加入25 mL初始濃度為75 mg·L-1的剛果紅溶液，在一定溫度下攪拌，攪拌一定時間后，離心機離心后取上清液，測定吸光度，去除率計算公式如式（1）所示：

式中：c0為初始溶液中的剛果紅濃度，mg/L；c 為吸附后溶液中的剛果紅濃度，mg/L。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜分析

為了分析粉煤灰改性前后化學組成的變化，利用紅外光譜對粉煤灰及改性粉煤灰進行了表征，如圖3 所示。由圖3 可看出，改性后峰強度明顯增強，指紋區出現窄而強的吸收峰。992 cm-1、694 cm-1、481 cm-1處的吸收峰分別是Si-O-Si 和Si-O（Al）的不對稱和對稱伸縮振動峰。大量的官能團使改性粉煤灰具有良好的吸附性能[14]。

圖3 粉煤灰及改性粉煤灰的紅外譜圖

2.2 改性粉煤灰添加量對去除率的影響

分別取粉煤灰和改性粉煤灰樣品各10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg、60 mg 于錐形瓶中，加入25 mL 初始濃度為75 mg·L-1的剛果紅溶液，在30℃下攪拌2 h后，離心后取上清液，用紫外可見分光光度計測吸光度，結果如圖4所示。

圖4 改性粉煤灰添加量對去除率的影響

由圖4 可明顯看出，隨著吸附劑添加量的增加，去除率先增加而后基本不變，說明改性粉煤灰吸附性能效果好，去除率明顯高于相同添加量的粉煤灰。改性粉煤灰為40 mg 時，去除率為80.5%。粉煤灰的主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3等，與堿性物質焙燒和水熱法處理后，轉化為硅酸鹽和鋁酸鹽，結構得以改善，提高了吸附性能。

2.3 吸附溫度對去除率的影響

稱取四份相同質量（40 mg）的粉煤灰于錐形瓶中，加入25 mL 初始濃度為75 mg·L-1的剛果紅溶液，分別在30℃、50℃、70℃、90℃下磁力攪拌2 h后，離心機離心后取上清液，測量吸光度，結果如圖5 所示。由圖5 可知，當吸附溫度為30℃時，去除率為80.5%。隨著吸附溫度的升高，去除率逐漸降低。改性粉煤灰對剛果紅染料的吸附過程可能是放熱的[15]，隨著溫度的升高，吸附性能降低。由于高溫不宜于粉煤灰對剛果紅染料的吸附，所以可在常溫或者適當低溫下進行吸附。

圖5 吸附溫度對去除率的影響

2.4 吸附時間對去除率的影響

取40 mg 樣品于錐形瓶中，加入25 mL 初始濃度為75 mg·L-1的剛果紅溶液，在30℃下磁力攪拌一定時間，測定不同吸附時間對去除率的影響，如圖6所示。由圖6 可知，去除率隨吸附時間先升高，至60 min 左右幾乎保持平穩，達到吸附平衡時，去除率為81.51%。吸附開始時，吸附表面均勻無污染，吸附劑和吸附質之間無阻礙，吸附速度較快。一段時間后，吸附劑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，吸附速度會變慢。因此改性粉煤灰對剛果紅的最佳吸附時間為60 min。

圖6 吸附時間對去除率的影響

3 結束語

本實驗圍繞固廢和水環境污染問題，采用焙燒-水熱法對粉煤灰進行改性，并研究了其對廢水中剛果紅的吸附性能。實驗操作簡單，但意義重大。通過本實驗實現了粉煤灰的資源化利用，既解決了固廢的危害又解決了廢水處理問題，符合我國“碳中和、碳達峰”的產業政策。本實驗鍛煉了學生文獻查閱、實驗操作、儀器分析、數據分析等方面的能力，同時培養了學生的環保意識和節能減排發展觀。