粉煤灰的改性、成型及深度除磷应用

叶爱英，徐景峰

（常州工程职业技术学院 制药与生物工程技术系，江苏 常州 213164）

研究表明，改性粉煤灰具有很强的吸附能力，对含磷废水处理效果较好［1］。近些年，对于含磷废水的治理研究较多，并取得了一定的成就［2-3］。但对于废水中质量浓度低于20 mg/L的磷不易去除完全，无法达到国家一级排放标准。粉煤灰颗粒细小，利用粉煤灰处理废水时，存在灰水难以分离的问题。

本工作选择合适的改性剂对粉煤灰进行改性，并应用于含磷废水的处理，达到了深度脱磷的效果；将改性后的粉煤灰通过有机高分子交联的方法进行成型处理，在不影响吸附量的同时，使改性粉煤灰在水中易于沉降，达到快速灰水分离的目的。

1 实验部分

1.1 原料、试剂和仪器

实验用试剂均为分析纯。

实验用粉煤灰：粒度大于60目，常州市震华热电有限公司。

XA-1型高速粉碎机：金坛市盛蓝仪器制造有限公司；SX2-4-LO型马弗炉：上海平联环境试验设备公司恒昌仪器厂；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱：上海一恒科技有限公司；T6型新世纪分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；KH3200DE型数控超声波仪：昆山禾创超声仪器有限公司。

1.2 改性粉煤灰的制备

将粉煤灰置于粉碎机中粉碎，于500 ℃马弗炉中灼烧2 h，取出后冷却至室温，备用。

向10 g粉煤灰中滴加30 mL质量分数为20%的氢氧化铝乳浊液，充分搅拌后抽滤，于120 ℃烘干，制得氢氧化铝改性粉煤灰。

将10 g粉煤灰置于坩埚中，用硫酸铝溶液浸渍后，搅拌均匀。于100 ℃烘箱中恒温烘干水分，置于500 ℃马弗炉中灼烧2 h，制得硫酸铝改性粉煤灰。

向10 g粉煤灰中加入30 mLV（盐酸）∶V（硫酸）∶V（水）= 1∶1∶2的混和酸，于室温下充分搅拌后抽滤，于120 ℃烘干，制得酸改性粉煤灰。

在80 ℃条件下，向10 g粉煤灰中滴加8 mL浓度为5.0 mol/L的氢氧化钠溶液，浸渍3 h，于80 ℃烘干，制得碱改性粉煤灰。

1.3 改性粉煤灰的成型

取烘干后的改性粉煤灰加入适量丙烯酰胺、N，N-亚甲基双丙烯酰胺以及氧化还原引发剂，聚合成型。将成型改性粉煤灰粉碎，于80 ℃烘干，取40～60目筛余物备用。

1.4 改性粉煤灰除磷实验

向100 mL磷质量浓度为10.0 mg/L的模拟废水中加入1 g改性粉煤灰，调节体系pH为中性，于室温下以300 r/min的转速搅拌1 h，静置。取上清液，采用分光光度法测定磷浓度，计算磷去除率。

1.5 改性粉煤灰的超声再生

向吸附后的粉煤灰中加入适量蒸馏水，在超声功率为800 W、超声时间为30 min的条件下进行超声处理，超声结束后静置沉淀，于60～70 ℃干燥。考察再生后改性粉煤灰的除磷效果。

2 结果与讨论

2.1 不同改性粉煤灰的除磷效果

不同改性粉煤灰的除磷效果见表1。由表1可见：经氢氧化钠改性和混合酸改性后，粉煤灰的磷去除率反而变低，这是因为改性使粉煤灰中的主要吸附活性物质Al2O3和CaO变为Al3+和Ca2+，吸附能力下降； 经氢氧化铝、硫酸铝改性后粉煤灰的磷去除率有了很大提高；氢氧化铝改性粉煤灰的磷去除效果最佳，磷去除率可达100%，这是因为氢氧化铝和硫酸铝改性增加了粉煤灰中Al2O3的活性点，提高了吸附能力。

表1 不同改性粉煤灰的除磷效果

用氢氧化铝和硫酸铝改性粉煤灰处理后的废水的磷质量浓度低于0.50 mg/L，达到GB8978—1996《污水综合排放标准》［4］中的一级标准。

2.2 吸附等温线

以氢氧化铝改性粉煤灰作为吸附剂，初始磷质量浓度对吸附量的影响见表2。

表2 初始磷质量浓度对吸附量的影响

由表2可见，随初始磷质量浓度的增加，吸附量逐渐增加，磷去除率逐渐降低。根据表2中的数据绘制改性粉煤灰对磷的吸附等温线，见图1。

图1 改性粉煤灰对磷的吸附等温线

粉煤灰对磷的吸附主要是化学吸附，基于单分子层吸附理论，采用Langmuir等温吸附方程对吸附等温线数据进行拟合，得方程ρe/qe=1.301 9ρe+0.055 3，相关系数为0.999 9。式中：ρe为吸附平衡时磷质量浓度，mg/L；qe为平衡吸附量，mg/g。计算得出改性粉煤灰对磷的饱和吸附量为0.77 mg/g。

2.3 成型氢氧化铝改性粉煤灰的除磷效果

氢氧化铝改性粉煤灰成型前后的除磷效果见表3。由表3可见：成型氢氧化铝改性粉煤灰的磷去除率略低于氢氧化铝改性粉煤灰的磷去除率。这是由于氢氧化铝改性粉煤灰成型后，粉煤灰积聚，使有效比表面积降低，导致吸附性能略有下降。但成型氢氧化铝改性粉煤灰的磷去除率仍可达97.70%，处理后模拟废水中的磷质量浓度为0.23 mg/L，低于0.50 mg/L，达到GB8978—1996《污水综合排放标准》中的一级标准；但成型氢氧化铝改性粉煤灰的沉降时间较氢氧化铝改性粉煤灰缩短了14倍，灰水分离效果非常明显。改性对粉煤灰的成型具有积极作用。通常改性前粉煤灰的成型灰限量只有50 g，即当粉煤灰质量大于50 g时，高分子引发困难，不易成型。成型灰限量低会严重影响粉煤灰的表面积，影响磷去除率。而采用氢氧化铝改性后粉煤灰更易成型，成型灰限量可达140 g，对磷去除率影响小。

2.4 超声再生成型氢氧化铝改性粉煤灰的除磷效果

超声再生成型氢氧化铝改性粉煤灰的除磷效果见表4。由表4可见，成型氢氧化铝改性粉煤灰经超声再生后，磷去除率可达67.90%，表明超声对改性粉煤灰具有一定的再生效果，再生后的成型氢氧化铝改性粉煤灰具有一定的重复使用价值。

表4 超声再生成型氢氧化铝改性粉煤灰的除磷效果

3 结论

a）选用适当的改性剂对粉煤灰进行改性处理，将改性后的粉煤灰用于处理低浓度含磷废水，提高了粉煤灰的深度除磷性能。

b）以1 g氢氧化铝改性粉煤灰作为吸附剂，处理100 mL磷质量浓度为10.0 mg/L的模拟废水，磷去除率可达99.70%，处理后模拟废水中磷质量浓度低于0.50 mg/L，达到GB8978—1996《污水综合排放标准》中的一级标准。

c）改性后的粉煤灰通过有机高分子交联方法进行成型处理。成型粉煤灰的沉降时间缩短了14倍，灰水分离效果非常明显。

d）超声再生氢氧化铝改性粉煤灰对磷的去除率为67.9%，表明超声对成型氢氧化铝改性粉煤灰有一定的再生效果。

［1］ 贺心燕，邓春蕾. 粉煤灰除磷的试验研究［J］. 中国西部科技，2009，26（8）：25-26.

［2］ 崔丽娜，李继，吕小海. 污水除磷技术的研究与发展［J］. 环境保护科学，2011，37（2）：10-13.

［3］ 杨林锋，翟建平，郑波，等. 酸改性粉煤灰去除污水中磷的试验研究［J］. 粉煤灰综合利用，2006，23（3）：18-20.

［4］ 原国家环境保护总局. GB8978—1996 污水综合排放标准［S］. 北京：中国标准出版社，1996.