碱法改性粉煤灰处理印染废水的研究

刘延慧(攀枝花学院产教融合发展部(公共实验教学中心)，四川 攀枝花 617000)

0 引言

粉煤灰含有多孔玻璃体和多孔炭粒，比表面积大，吸附活性高，多用粉煤灰做吸附剂处理废水[1]。粉煤灰在燃烧过程中因气体是否逸出会形成开放性孔穴和封闭性孔穴，通过化学改性方法可以打开封闭性孔穴，进一步增大粉煤灰比表面积可孔隙率，提高吸附性能。目前粉煤灰改性方法主要有酸改性、碱改性、盐改性、表面活性剂改性、混合改性[2]。试验利用碱法改性粉煤灰，藉以为粉煤灰高效利用提供基础资料。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

722S型分光光度计，磁力搅拌器等；碱性品红，氢氧化钙，氢氧化钠，PDMDAAC等。

1.2 模拟印染废水的配制

称取0.05g碱性品红，定容至1000mL，配制50mg/L模拟印染废水备用。

1.3 实验方法

实验采用碱法对粉煤灰进行改性，采用碱性品红模拟印染废水。向模拟印染废水中投加一定量碱法改性粉煤灰，在室温下200r/min转速搅拌吸附15min，取上层清液于最大波长为543nm处测定其吸光度A，计算脱色率。实验考查改性剂的最佳配比、改性粉煤灰投加量、吸附搅拌时间和pH值，得到碱法改性粉煤灰吸附模拟印染废水的适宜条件。

1.4 废水脱色率的计算

采用分光光度法对废水色度进行测定，脱色率η(%)按式(1)计算：

式中：A0为模拟染料废水吸光度；A为染料废水经粉煤灰吸附后的吸光度。

2 结果与分析

2.1 不同碱性改性剂改性粉煤灰对废水脱色率影响

在室温下，分别向5份50mL的模拟废水中加入未改性粉煤灰与各改性剂改性的粉煤灰0.2g，吸附处理废水后，测定其上层清液的吸光度，计算脱色率，结果如表1所示。

表1 不同方法改性粉煤灰对脱色率的影响

粉煤灰主要成分是二氧化硅和氧化铝，属于硅铝酸盐，此外，还含有少量的氧化铁、氧化钙、氧化镁和未燃尽的碳，因此铝硅活性点较多。而且粉煤灰因孔隙多比表面积大，比表面能高，吸附能力强。对其进行改性后，可以进一步增大孔隙率，增大粉煤灰潜在活性，进一步增强吸附性能。从表1可以看出，改性后粉煤灰处理废水效果更好，NaOH与PDMDAAC混合改性粉煤灰比其他几种改性粉煤灰处理印染废水效果好。这是因为碱性改性剂能激发粉煤灰潜在活性，其致密态的玻璃结构和表面保护膜层能被碱性物质破坏，释放出内部可溶性氧化铝、氧化硅的活性，经水化反应生成水化产物，使粉煤灰中玻璃体的硅氧键、铝氧键在水化反应中快速断裂，增大孔隙率，从而大大提高了粉煤灰的吸附能力。

2.2 NaOH与PDMDAAC混合改性粉煤灰改性剂最佳配比确定

NaOH与PDMDAAC分别按1:1、1:1.5、1:2、2:1、2:1.5质量比改性粉煤灰，吸附处理模拟印染废水，结果如表2所示。

表2 NaOH与PDMDAAC比例对脱色率的影响

从表2可知，NaOH和PDMDAAC的质量比为1/2时，脱色率较高，这是因为PDMDAAC吸附在粉煤灰表面，粉煤灰表面电性发生改变，改性后粉煤灰带正电荷，由于碱性品红带负电，因而改性粉煤灰既具有吸附能力，也具备电中和能力，增强了粉煤灰处理效果[3]。NaOH和PDMDAAC的质量比过高或过低，脱色率都下降。试验采用NaOH和PDMDAAC比例在1/2时，即各加相同质量的改性剂来改性粉煤灰，吸附处理效果较好。

2.3 NaOH与PDMDAAC混合改性粉煤灰最佳投加量确定

投加NaOH与PDMDAAC混合改性粉煤灰分别为0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g，到50mL模拟废水，在室温下200r/min转速搅拌吸附15min，取上层清液于λmax为543nm处测定其吸光度A，计算脱色率，结果如表3所示。

表3 粉煤灰用量对脱色率的影响

由表3可知，随着粉煤灰的投加量的增加脱色率增加，在投加量在0.4g时脱色率达到最大值51.2%。但当粉煤灰用量再增加时，脱色率几乎不再变化。这是因为随粉煤灰用量增加，吸附点位增多，脱色率增大[4]。但继续增加粉煤灰用量，脱色率变化不大。因为碱性品红量一定，当吸附达到动态平衡时，溶液中的游离碱性品红将不能被吸附。综合考虑后期的分离及经济成本等因素，对模拟废水采用0.4g改性粉煤灰投加量为宜。

2.4 NaOH与PDMDAAC混合改性粉煤灰最佳反应时间确定

取50mL模拟废水，投加0.4g改性粉煤灰，在室温下200r/min转速搅拌每隔5min取上层清液于543nm处测定其吸光度A，计算脱色率，结果如表4所示。

表4 反应时间对脱色率影响

由表4可知，粉煤灰对碱性品红的吸附效果明显，在搅拌时间为10min时，达到了较高脱色率，之后脱色率变化不大。这是因为浓度差变化导致吸附推动力变化引起的，改性粉煤灰刚投入废水时，染料分子在粉煤灰表面和溶液中浓度差最大，此时吸附推动力也最大，造成吸附速率快。但是随着时间的延长，浓度差异减小，吸附推动力变小，吸附速率变缓。考虑经济因素，试验采用吸附时间为10min。

2.5 NaOH与PDMDAAC混合改性粉煤灰最佳pH确定

取6份50mL模拟废水，均投加0.4g改性粉煤灰，分别调节pH=2、4、6、8、10、12,在室温下200r/min转速搅拌，吸附10min，取上层清液于543nm处测定其吸光度A，计算其脱色率，结果如表5所示。

表5 pH值对脱色率影响

由表5可知，在酸性范围内，碱法改性粉煤灰对碱性品红的脱色效果较好，在碱性条件下，脱色率有所下降。这可能因为在酸性条件下粉煤灰中的Al2O3，Fe2O3等溶解为Al3+、Fe3+，其具有一定的絮凝作用，同时粉煤灰的比表面积也有所增加，吸附性能提高。当pH大于8时，改性粉煤灰对废水的脱色率降低，可能是由于随着pH值的升高，染料分子因电离产生大量负电荷，同时粉煤灰表面也吸附大量的OH-，染料和粉煤灰之间形成静电斥力，从而导致脱色率的降低。当pH在中性范围时，脱色率较高，综合考虑到对设备的腐蚀情况等，所以不需要对废水的pH值进行调节。

2.6 正交实验

从单因素实验可以看出对改性粉煤灰吸附性能影响较大的因素有NaOH与PDMDAAC质量比、改性粉煤灰的投加量和溶液pH，故作3因素3水平的正交实验。结果如表6和表7所示。

表6 实验水平及因素

表7 正交实验表

从正交实验数据分析可得，各因素对模拟废水脱色率的影响顺序依次为：pH>NaOH与PDMDAAC质量比>粉煤灰投加量。各因素较佳水平为：NaOH和PDMDAA质量比1:1，改性粉煤灰投加量0.6g，溶液pH为8。

3 结语

改性粉煤灰吸附模拟印染废水，通过单因素实验可以得到对改性粉煤灰吸附性能影响较大的因素有NaOH与PDMDAAC质量比、改性粉煤灰的投加量和溶液pH，故选用这三个变量进行三因素三水平正交实验。从正交实验数据分析可得，各因素对模拟废水脱色率的影响顺序依次为：pH>NaOH与PDMDAAC质量比>粉煤灰投加量。各因素较佳水平为：NaOH和PDMDAA质量比1:1，改性粉煤灰投加量0.6g，溶液pH为8。