负载TiO2改性粉煤灰处理垃圾渗滤液实验研究

2017-03-24 07:07王占华孙雪景赵玉鑫王鑫壹
关键词:光催化剂投加量滤液

王占华,周 兵,孙雪景,赵玉鑫,王鑫壹

(1.吉林建筑大学市政与环境工程学院,吉林 长春 130118;2.吉林建筑大学松辽流域水环境教育部重点实验室,吉林 长春 130118;3.吉林省中实环保工程开发有限公司,吉林 长春130118)

负载TiO2改性粉煤灰处理垃圾渗滤液实验研究

王占华1,2,周 兵3,孙雪景1,2,赵玉鑫1,2,王鑫壹1

(1.吉林建筑大学市政与环境工程学院,吉林 长春 130118;2.吉林建筑大学松辽流域水环境教育部重点实验室,吉林 长春 130118;3.吉林省中实环保工程开发有限公司,吉林 长春130118)

采用凝胶法制备负载TiO2改性粉煤灰,将其作为光催化剂投加到实验室卫生填埋场模型产生的垃圾渗滤液中,在紫外光源照射下,分析探讨了负载条件、渗滤液体系pH、光照时间、负载TiO2改性粉煤灰投加量对渗滤液中污染物去除效率的影响.结果表明:在温度范围20℃~30℃、光照120 min、pH=2、500℃焙烧的负载TiO2的2 mol/L盐酸改性粉煤灰光催化剂的投加量为30 g/L时,渗滤液体系中污染物的去除率较高.

负载;TiO2;改性;粉煤灰;垃圾渗滤液

近年来,纳米TiO2因其具有高光催化活性、良好的化学稳定性、廉价无毒等诸多优异性能,被广泛应用于有机污染物降解、污水处理、空气净化等领域.以前,人们普遍采用TiO2悬浮体系作为催化剂,悬浮态TiO2比表面积大、反应活性好,但存在着易失活、易凝聚和难以分离等缺点,因而限制了光催化技术的实际应用.若采用吸附性载体负载TiO2则可显著提高TiO2的光催化效率,有效克服悬浮体系的不足.早在2003年,冯志兵和叶映雪[1-2]分别进行了天然沸石和人造沸石负载TiO2的光催化体系降解有机污染物的研究,为后续研究奠定了基础;之后天津大学的李经等[3]进行了常规吸附剂活性炭载体负载TiO2体系处理染料废水的研究,探讨了溶胶凝胶参数、负载量、载体孔径、稀土化合物掺杂等因素对光催化降解亚甲基蓝溶液的影响;王利剑等[4]以提纯硅藻土为载体,用水解沉淀法制备了硅藻土负载纳米TiO2复合材料,其对罗丹明B的光降解率明显高于德国Degussa公司的纳米TiO2商品 P25的降解率;崔丹丹等[5]以竹子为原料,通过磷酸活化法制备了一系列活性炭,通过溶胶-凝胶法制备了负载型二氧化钛/竹活性炭光催化剂(TiO2/BAC),用其去除水溶液中的甲醛,并确定了去除率较高时的相关实验参数;刘亚兰[6]采用溶胶-凝胶法和超临界流体干燥技术制成了TiO2活性炭纤维复合材料,以甲醛为目标污染物,系统研究和评价了各参数下对复合材料去除有机污染物性能的影响.近两年,针对负载型TiO2的研究更加深入,张晓媛等[7]制备了贵重金属银负载TiO2纳米线/石墨烯复合材料,并对其进行了表征,在紫外光下,该复合材料对双酚A的降解效果明显优于纳米TiO2;周林宗等[8]以浸渍-提拉法得到玻璃负载TiO2薄膜光催化剂,当溶液pH=3~4、Cr(Ⅵ)初始浓度为20 mg/L、负载TiO2薄膜的玻璃片投加量3~4片、光照时间达12 h时,水体中的Cr(Ⅵ)还原率可达99.9%.另外有学者将负载型TiO2光催化氧化法应用于烟气污染治理研究,孙圣楠等[9]利用溶胶-凝胶法制备了TiO2负载于活化半焦的光催化剂,考察了紫外光条件下,TiO2负载量、煅烧时间和温度以及水对光催化脱硝性能的影响;刘浩等[10]利用溶胶凝胶法制备了多壁碳纳米管负载TiO2光催化剂,针对模拟烟气,在固定床光催化反应器中对催化剂的紫外光催化脱硝性能进行了研究,并提出了光催化脱硝反应机理.还有学者致力于负载型光催化体系处理污染物时催化剂的吸收光谱研究,如夏悦[11]将P原子成功掺杂到TiO2晶格中,再将掺杂P后的P-TiO2晶粒负载于硅藻土,合成了掺杂P的纳米TiO2-硅藻土复合光催化剂.P-TiO2和P-TiO2-硅藻土的UV-Vis光谱相对于纯TiO2均发生了红移并扩展到可见光范围内,说明这两种催化剂均具有一定的可见光性质,但是P-TiO2-硅藻土的吸收范围稍高于TiO2,采用负载量为20%的P-TiO2-硅藻土在可见光下降解甲基橙和亚甲基蓝,均有出色的光催化脱色效果;还有学者也做了相似的研究,为负载型TiO2的应用奠定了基础[12-14].

粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种类似火山灰质的混合材料,是冶炼、化工、燃煤电厂等企业排出的固体废物.粉煤灰在形成过程中,由于部分气体逸出而具有开放性孔穴,表面呈蜂窝状;也有部分气体未逸出被裹在颗粒内形成封闭性孔穴,内部也呈蜂窝状.气体逸出的粉煤灰由于孔穴暴露在表面,因而具有吸附性能;气体未逸出的粉煤灰吸附性能则很小,需用物理或化学方法打开封闭的孔穴,以提高其孔隙率及比表面积.不同的改性方法可使传统粉煤灰诸多物理、化学性质发生不同程度的改变,处理废水的效果也都有大幅提高.如果将改性的粉煤灰与其他水处理技术相结合,不但可获得明显的处理效果,同时也使得废水处理的方法得到了丰富.张彬、张秋霞、贾小宁等[15-17]以有机物为改性剂,对粉煤灰和其他吸附剂进行了改性,研究了时间、pH、吸附剂用量等因素对吸附剂处理石油废水、印染废水等效果的影响,结果表明:在各自确定的最佳实验条件下,废水中有机污染物的去除率均可达80%以上;而刘文辉、彭喜花、王锐刚等[18-23]分别以酸改性粉煤灰为吸附剂,探讨了改性剂的种类、改性剂用量、吸附剂用量、反应时间、pH以及温度对含磷废水、甲基橙染料、含铬地下水、糖蜜废水等处理效果的影响,在最佳实验条件下,酸改性粉煤灰的吸附去除率比原状粉煤灰提高了30%~40%;另外,采用碱性物质对粉煤灰进行改性的研究也有很多,如左继成、王姣姣、曹书勤等[24-27]分别用碱性物质改性粉煤灰,并研究了其对废水中的染料和锰物质的吸附去除效果,结果表明:改性后的粉煤灰可将污染物的去除效率提高到80%以上.还有学者采用两种方法联合改性粉煤灰,如白玉洁、曹书勤、李章良等[28-33]分别采用高级氧化技术协助改性粉煤灰,改善了粉煤灰的吸附性能,进一步提高了污染物的去除效率;也有学者采用酸碱联合对粉煤灰进行改性,最大限度地开发粉煤灰的吸附性能,如杜继伟[34]利用酸碱联合改性粉煤灰,研究了改性粉煤灰处理焦化含酚废水的试验工艺条件,确定了最佳的反应条件、反应时间和反应温度等.

本文在总结和借鉴上述研究的基础上,以粉煤灰为基体,通过对粉煤灰进行盐酸改性,改变粉煤灰表面和微孔的粗糙度,增加比表面积,以提高其吸附性能;同时采用溶胶-凝胶法在改性粉煤灰上负载纳米TiO2,制备比表面积大、催化活性高的负载纳米TiO2改性粉煤灰吸附光催化体系,并将其用于降解卫生填埋场模型产生的垃圾渗滤液,研究了污染物去除效率较高时的最佳实验参数.

1 实验部分

1.1 实验材料及设备

实验材料:负载TiO2改性粉煤灰为实验室自制.生活垃圾渗滤液采用实验室垃圾填埋模型渗滤液,渗滤液的水质指标CODcr为3 311 mg/L,NH3-N为7.614 2 mg/L.

实验设备:紫外灯管,微波密封消解CODcr快速测定仪,KSW-4D-11型马弗炉,磁力搅拌器,干燥箱,分析天平,真空泵,恒温水浴振荡器,pH计;负载TiO2改性粉煤灰光催化降解装置如图1所示.

图1 负载TiO2改性粉煤灰光催化降解装置

1.2 实验方法

1.2.1 负载型光催化体系制备

本实验采用溶胶-凝胶法制备负载型光催化剂.在剧烈搅拌情况下将100 mL钛酸丁酯缓慢滴加到200 mL无水乙醇中,室温下恒温磁力搅拌2 h得到钛酸丁酯/无水乙醇混合液A;然后在不断搅拌的条件下,以1滴/s的速度缓慢滴入由100 mL无水乙醇、13 mL蒸馏水、10 mL冰乙酸组成的混合液B,滴完后继续搅拌30 min,在室温下胶溶24 h,制得稳定、均匀的淡黄色半透明溶胶,即TiO2前躯体溶胶.同样的方法和步骤制取6份相同的TiO2前躯体溶胶备用.

取一份TiO2前躯体溶胶,将制得的0.5 mol/L盐酸改性粉煤灰50 g,在搅拌的情况下缓慢加入到TiO2前躯体溶胶中,混合搅拌1 h,静置胶溶24 h,离心出沉淀,用无水乙醇、蒸馏水冲洗沉淀若干次,将处理后的负载TiO2凝胶沉淀分成5份.同样将1.0,2.0,3.0,5.0 mol/L盐酸改性粉煤灰和未改性的原状粉煤灰,按照上述方法制成相应的负载TiO2凝胶,每种凝胶沉淀也都分成5份.

将上一步制备好的0.5,1.0,2.0,3.0,5.0 mol/L盐酸改性粉煤灰和未改性的原状粉煤灰负载TiO2凝胶各5份,共30个样品,全部放入干燥箱和马弗炉中,在100℃,200℃,300℃,400℃,500℃条件下,依次干燥、焙烧2 h后,分阶段取出负载TiO2凝胶,各留出1份,备用.经上述操作后制取了各类负载TiO2改性粉煤灰催化剂共计30份,每份约12 g.

负载型光催化体系可根据实验需要,如上述方法重复制取.

1.2.2 分析方法

CODcr采用微波密封消解法测定;氨氮含量采用纳氏试剂比色法测定; pH值采用 HANNA HI19321型微电脑式酸碱度计测定.

2 实验结果与讨论

实验紫外光源强度为60 W紫外灯光,光照时间为120 min,室温20℃~30℃.

2.1 负载改性粉煤灰投加量对渗滤液处理效果的影响

取18份垃圾渗滤液各50 mL,调节pH=2,体系中分别加入未改性粉煤灰、2 mol/L盐酸改性粉煤灰及500℃焙烧的负载TiO2的2 mol/L盐酸改性粉煤灰,投加量分别为5,10,20,30,40,50 g/L.结果如图2和3所示.

图2 光催化剂投加量对CODcr去除率的影响

图3 光催化剂投加量对NH3-N去除率的影响

从图2和图3可以明显看出,分别加入未改性粉煤灰和2 mol/L盐酸改性粉煤灰的体系中,CODcr和NH3-N的去除率均低于加入500℃煅烧的负载TiO2的2 mol/L盐酸改性粉煤灰光催化剂的渗滤液体系.原因在于前两个投加体系中,只发生吸附作用;而负载改性增加了粉煤灰的吸附位,使得改性粉煤灰投加体系的污染物去除效率稍高于原状未改性粉煤灰.

同时从图2和图3还可看出,随着光催化剂投加量的增加,CODcr和NH3-N的去除率均明显提高,其原因是负载TiO2改性粉煤灰空隙表面的二氧化钛浓度的增大,可以通过光激发后产生更多的·OH,增强了污染物分子被氧化的概率.另外当光催化剂用量较少时,因为无法充分吸收紫外光而造成反应速率下降.随着光催化剂投加量的增加,吸附量会增加,光催化效果较好,污染物去除效率增加.

但当再投加过量的光催化剂后,此时体系中的污染物浓度逐渐变小,污染物分子与光催化剂接触的机会也变小,污染物的去除效率增加较慢.在本实验体系中光催化剂的投加量在30~50 g/L时,其污染物去除率相差不大,故后续实验光催化剂投加量确定为30 g/L.

2.2 光照时间对渗滤液处理效果的影响

取18份垃圾渗滤液各50 mL,调节pH=2,分别加入未改性粉煤灰、2 mol/L盐酸改性粉煤灰及500℃焙烧的负载TiO2的2 mol/L盐酸改性粉煤灰,投加量为30 g/L,光照时间依次为20,40,60,80,100和120 min,处理结果见图4和5所示.

图4 光照时间对NH3-N去除率的影响

图5 光照时间对渗滤液CODcr去除率的影响

从图4和图5可以看出,当光照时间在40 min之内,CODcr去除效率并不高,主要是部分CODcr转变为BODcr,还未完全分解氧化.40 min后加入各种吸附光催化剂的渗滤液NH3-N和CODcr的去除效率均迅速提高,以加入负载型 TiO2改性粉煤灰催化剂的处理效果最为显著,明显高于其他两个体系.这主要是因为其他两个体系没有负载光催化剂,体系内只发生吸附作用,渗滤液中污染物的去除与光照时间关系不大,但随着与渗滤液中污染物接触时间的增长,体系中CODcr与NH3-N的去除率也逐渐增大.但当达到一定的吸附量后,吸附去除效率的增长就变得非常缓慢了.

2.3 负载焙烧温度对渗滤液处理效果的影响

取24份垃圾渗滤液各50 mL,调节pH=2,分别加入200℃,300℃,400℃,500℃焙烧的负载TiO2的2 mol/L盐酸改性粉煤灰,投加量为30 g/L,处理结果如图6所示.

从图6可以看出,负载TiO2粉煤灰的焙烧温度较低时,对渗滤液CODcr的去除效率也较低.因为焙烧温度较低时,TiO2不能牢固地负载于微珠上,易脱落,而焙烧温度太高,粉煤灰微珠载体也易发生烧结,比表而积减小,降低光催化剂的负载量.参考其他研究成果,400℃~500℃焙烧温度的光催化效率最好,故没有进行更高温度的焙烧.

图6 焙烧温度对CODcr去除率的影响

图7 体系pH对渗滤液CODcr去除率的影响

2.4 光催化降解体系pH对渗滤液处理效果的影响

取12份垃圾渗滤液各50 mL,调节pH分别为2,4,6,8,10,12,每个2份,分别加入2 mol/L盐酸改性粉煤灰和500℃焙烧的负载TiO2的2 mol/L盐酸改性粉煤灰,投加量为30 g/L,光照时间为120 min,处理结果如图7所示.

由图7可以看出,pH值在接近7时,投加负载TiO2改性粉煤灰光催化剂的渗滤液中CODcr去除率均较低,而在强酸或强碱时,去除率较高.原因是TiO2在纯水中的等电点为6左右,此时不易产生更多的·OH活性基团,pH值较低或较高都使其带上较多的电荷或空穴,利于强氧化性活性基团的产生.投加改性粉煤灰的渗滤液中CODcr的吸附去除效率随着pH值的升高而降低,原因可能是在强酸性条件下粉煤灰内部封闭孔道被打开,粉煤灰的比表面积增大,对污染物的吸附性能提高.而碱性增强时,一方面OH-和染料阴离子在粉煤灰表面竞争吸附;另一方面由于粉煤灰表面带有大量负电荷,产生了静电斥力,妨碍了污染物分子吸附.

2.5 粉煤灰改性用酸浓度对渗滤液处理效果的影响

图8 粉煤灰改性用酸浓度对CODcr去除率的影响

取5份渗滤液各50 mL,调节pH=2,分别加入500℃焙烧的0.5,1.0,2.0,3.0,5.0 mol/L盐酸改性的负载TiO2改性粉煤灰光催化剂,投加量为30 g/L,光催化时间为120 min,结果如图8所示.

由图8可以看出,负载TiO2改性粉煤灰在改性时的用酸浓度对渗滤液中CODcr去除率存在影响.在用酸浓度为2和3 mol/L时,渗滤液CODcr去除率高于其他浓度盐酸改性的粉煤灰,当盐酸浓度超过3 mol/L时,CODcr去除率趋于缓和降低.原因可能是较低浓度酸改性粉煤灰获得了较未改性粉煤灰更多的内部空隙,具有比较大的比表面积.而随着酸浓度和用量继续增大,原来的一些小空隙被破坏,结合成相对较大的空隙,使比表面积有所降低,负载TiO2的有效面积变小,光催化中产生的·OH量相对较少;同时其空隙较大,吸附量受到限制.

3 结语

(1) 光催化剂的加入量对渗滤液CODcr和NH3-N的去除效率有影响.在渗滤液实验体系中,500℃焙烧的负载TiO2的2 mol/L盐酸改性粉煤灰光催化剂的投加量为30~50 g/L时,其污染物去除率几乎相同,故光催化剂投加量确定为30 g/L.

(2) 光照时间对渗滤液中污染物去除效率有影响.光照时间在40 min之内,CODcr去除效率并不高,随着与渗滤液中污染物接触时间的增长,体系中CODcr与NH3-N的去除率也逐渐增大.但当达到一定的吸附量后,吸附光解去除效率增长就变得非常缓慢,故选取光照时间为120 min.

(3) 负载TiO2改性粉煤灰的焙烧温度较低时,渗滤液CODcr的去除率也比较低.因为焙烧温度较低TiO2不能牢固地负载于粉煤灰微珠上,易脱落;而焙烧温度太高,粉煤灰微珠载体也易发生烧结,比表面积减小,降低光催化剂的负载量,故选取焙烧温度为500℃.

(4) 渗滤液体系pH对反应体系中污染物降解效率有影响,pH值在接近7 时,CODcr去除率较低,在强酸性或强碱性情况下去除率较高,故建议实验pH为2或12.

(5) 负载TiO2的改性粉煤灰在改性时用酸浓度对渗滤液CODcr去除率有影响,在改性粉煤灰用酸浓度为2,3 mol/L时,渗滤液CODcr去除率高于其他浓度盐酸改性粉煤灰;当改性用盐酸浓度超过3 mol/L 时,CODcr去除率趋于缓和降低,故确定负载TiO2的改性粉煤灰用酸浓度为2 mol/L.

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(责任编辑:方 林)

Study on the treatment of landfill leachate by supported TiO2modified fly ash

WANG Zhan-hua1,2,ZHOU Bing3,SUN Xue-jing1,2,ZHAO Yu-xin1,2,WANG Xin-yi1

(1.Department of Civil and Environmental Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun 130118,China; 2.Key Laboratory of Songliao Aquatic Environment,Ministry of Education,Jilin Jianzhu University,Changchun 130118,China; 3.Jilin Province Zhongshi Environmental Protection Engineering Development Co Ltd,Changchun 130118,China)

The sol-gel preparation of supported TiO2modified fly ash,the as a photocatalyst,investment and added to the laboratory of sanitary landfill garbage generated by the model infiltration filtrate,under the irradiation of UV light and analysis study load conditions,the leachate pH,illumination time,supported TiO2modified fly ash dosage on effects of leachate pollutant removal efficiency.Research shows that in the room temperature range of 20℃ to 30℃,irradiation time within 120 min,pH=2,supported TiO2modified fly ash using acid concentration in 2 mol/L,500℃ roasted supported TiO2modified fly ash catalyst of dosage in 30g/L,landfill leachate system of pollutants removal rate is higher.

supported;titanium dioxide;modification;fly ash;landfill leachate

1000-1832(2017)01-0148-06

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.01.027

2016-03-08

国家自然科学基金资助项目(51208226);吉林省教育厅“十二五”科技项目(吉教科字[2013]第234号).

王占华(1978—)女,博士,副教授,主要从事环境污染防治技术研究.

X 705 [学科代码] 610·3020

A

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