粉煤灰吸附材料处理含重金属废水初步探讨

谭燕宏

（营口职业技术学院环境化学工程系，辽宁营口 115000）

传统的重金属污染废水处理技术包括化学沉淀、渗透膜、离子交换、活性炭吸附和共沉淀吸附等，但这些方法的成本普遍较高。近年来，环境工程界越来越重视廉价高效替代技术的研究及其实际工程应用，新型价廉的环境矿物吸附材料的开发应用是目前研究的热点和重点。目前已开发出不少新型的矿物吸附材料，具有吸附容量大，吸附速度快，价格便宜，原料来源广泛，使用方便，性能稳定，无毒害等优点。

环境矿物吸附材料的突出优点是成本低，来源广泛，可重复使用，吸附的重金属可回收，不产生废物，无二次污染，属于典型的清洁生产技术，具有广阔的应用前景。粉煤灰对溶液中吸附质的吸附包括三个连续的过程。第一为颗粒外部扩散过程，吸附质由溶液扩散到吸附剂表面；第二为孔隙扩散过程，吸附质在粉煤灰孔隙中继续向吸附点扩散；第三为吸附反应过程，吸附质被吸附在粉煤灰孔隙的内表面上。根据对粉煤灰吸附染料废水的试验结果，吸附速率由第二过程即孔隙扩散阶段所控制。

1 实验材料

粉煤灰是一种工业废渣，是从烧煤粉的锅炉烟气中收集的粉状灰粒，它细度较小且有着较高的比表面积，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等组成的海绵状和球状的细小颗粒。单个粉煤灰的粒径约为2.5~300μm，平均几何粒径为40μm。从物理结构看，粉煤灰是一种多孔性物质，比表面积大，一般为500~5000cm2/g。

2 试验方法

通过单因素实验确定振荡时间、吸附剂的吸附用量、温度、粉煤灰的混合比等对含重金属废水处理效果的影响。从而确定最佳的实验室工艺条件，作为现场试验的参考。

2.1 模拟废水

模拟废水制备过程：取1mg/ml的铜标准贮备液9ml，移入1000ml的容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀。所得铜溶液的浓度为9mg/L，即为模拟水样。在250ml锥形瓶中加入一定量的粉煤灰，然后再加入100ml 浓度为9mg/L 的模拟废水，在100r/min左右条件下振荡一定时间后，用离心机分离上层清液，用二乙氨基二硫代甲酸钠萃取分光光度法测定上清液中Cu2+的吸光度。根据吸附后的吸光度值，计算Cu2+的去除率。

2.2 实际废水

将试剂溶于蒸馏水中，稀释至250ml，溶液应保存在低于80℃的环境中。溶液中有沉淀、发霉不能继续使用。首先对PH标准缓冲试剂进行配制，后对pH测定仪进行标定，选择范围在4~7之间，然后对废水进行pH测定。由试验可知，实际废水的pH值为6.44。在250ml锥形瓶中加入一定量的粉煤灰，然后再加入150ml实际废水样，在100r/min左右的条件下振荡一定时间后，用离心机分离上层清液，用二乙氨基二硫代甲酸钠萃取分光光度法测定上清液中Cu2+的吸光度。根据吸附后Cu2+的吸光度值，计算Cu2+的去除率。

3 实验结果分析与讨论

3.1 模拟废水试验

3.1.1 吸附时间对粉煤灰吸附性能的影响

取粉煤灰5 份各7.5g 于250ml 锥形瓶中，各加入150ml 含Cu2+9mg/L 的模拟废水样，室温条件下，在100r/min左右的条件下振荡不同时间后，用离心机分离，测定上清液中Cu2+的吸光度，计算其对Cu2+的去除率。振荡时间分别为：20min、30min、40min、1h、2h。粉煤灰的吸附时间对去除率的影响见图1。

图1 粉煤灰的吸附时间与去除率的关系

从图1中可以看到，随着粉煤灰吸附时间的增加，Cu2+的去除率逐渐升高，在30min和40min之间有一个稍微变缓的趋势。40min后去除率仍在增加，但增加的幅度不大，考虑到实际生产的应用需要，较好的吸附时间应定在30min左右。

3.1.2 吸附剂用量对粉煤灰吸附性能的影响

取粉煤灰5份若干克于250ml锥形瓶中，各加入150ml含Cu2+9mg/L的模拟废水样，室温条件下，在100r/min左右的条件下振荡不同时间后，用离心机分离，测定上清液中Cu2+的吸光度，计算其对Cu2+的去除率。吸附剂用量分别为：0.5g、1g、3g、5g、7g 。粉煤灰的吸附用量对去除率的影响见图2。

图2 吸附剂用量与去除率的关系

从图2中可以看到，去除率随着粉煤灰的吸附用量的增加而增加。吸附剂用量在20g/L 之内时，去除率增加的幅度很大，吸附剂用量在20g/L以后逐渐变缓，但仍有增加的趋势。从吸附剂用量经济、有效性考虑，在30g/L附近时，去除率达到了80%以上，吸附剂用量又不是太多，可以认为30g/L左右为较好的吸附剂用量的值。

3.2 实际废水试验

分别取150ml 废水，对粉煤灰进行吸附，处理实际废水，考察各因素对去除率的影响。

3.2.1 吸附时间对粉煤灰吸附性能的影响

分别取7.5克粉煤灰，放入150ml废水中，室温条件下，在100r/min左右的条件下振荡不同时间后，用离心机分离，测定上层清液中Cu2+的浓度，计算Cu2+的去除率。 粉煤灰的吸附时间对去除率的影响见图3。

图3 粉煤灰吸附时间与去除率的关系

从图3 中可以看到，随着吸附时间的增加，吸附率先增加，后基本持平。虽然1h时，吸附率达到最大，但与之相比较可以看出，30分钟以后吸附率变化不大，且排放率均达到了国家安全排放标准，从实际生产中考虑，倾向于选择30、40分钟，为较好的吸附时间。

3.2.2 吸附剂用量对粉煤灰吸附性能的影响

分别取0.75、1.5、4.5、7.5、10.5 克粉煤灰，放入150ml实际废水中，室温条件下，在100r/min左右的条件下振荡30分钟后，用离心机分离上层清液，用ICP—AES法测定吸附后Cu2+的浓度，计算Cu2+的去除率。粉煤灰的吸附剂用量对去除率的影响见图4。

图4 吸附剂用量与去除率的关系

从图4中可以看到，随着吸附剂用量的增加，去除率也随着增加。在10g/L与50g/L处都有一个转折。考虑到实际应用的需要，认为吸附剂用量为30g/L时较好，即达到了一个很高的去除率，需要的吸附剂用量又不大。

3.3 正交试验结果与分析

粘土矿物吸附重金属所涉及的因素很多，如振荡时间、温度、吸附剂的用量等。对这种多因素影响的反应，既要得到最佳的吸附效果，又要尽量减少工作量，最好采用正交试验的方法。

3.3.1 试验设计

根据各因素试验结果，设计一组正交试验确定其他各因素对去除率的影响及最佳水平组合。水样浓度为9mg/L，设计三因素四水平，选择正交试验表安排试验。将因素、水平随机列成下表1。

表1 正交试验因素水平表

3.3.2 结果与分析

将正交试验计划表的各种条件进行试验，结果列成表，并进行极差分析。粉煤灰的正交试验见表2。

表2 粉煤灰吸附的正交试验

3.4 结论与展望

本试验结论：粉煤灰具有较高的吸附活性，可作为废水中金属离子的吸附剂。从单因素试验可得：利用粉煤灰作为吸附剂，30分钟为较好的吸附时间，去除率达到94%；30g/L为较好的吸附剂用量，去除率达到了94.2%。根据正交试验结果分析，处理含重金属废水的主要影响因素是吸附剂的用量。对于粉煤灰，最佳水平组合为在25℃的条件下，粉煤灰用量为30g/L，吸附30min，吸附后Cu2+浓度为0.2mg/L，去除率为97.8%。通过以上结论可知，利用粉煤灰处理含重金属废水具有广阔的应用前景，利用工业废渣粉煤灰处理含重金属离子废水具有以废治废、原料来源广泛、价格低廉等优点。