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改性粉煤灰在水处理中的应用进展

2016年02月24日 12:00点击数量:874次


贾艳萍,贾心倩,姜成,刘斌,唐建龙

(东北电力大学化学工程学院,吉林吉林132012)

摘  要:粉煤灰是一种来源广而价格低的工业废渣,具有微孔多、比表面积大、吸附能力强等特点,用于水处理领域可达到以废治废的目的。本文主要从粉煤灰及粉煤灰的改性等方面综述了其在水处理方面的研究现状,充分说明了粉煤灰用于水处理的可行性,为今后废水污水的治理研究提供了借鉴及参考。

关键词:粉煤灰;改性;水处理

 

粉煤灰主要指火力发电厂煤炭燃烧排出的固体废弃物。随着我国电力工业的大力发展,粉煤灰的排放量也不断加大[1]。统计显示,我国粉煤灰的年排放量达1.6亿吨,但其利用率仅为30%左右,是我国当前排量较大的工业废渣之一[2]。目前粉煤灰的利用主要用于建设工程、道路工程及作为填筑材料等方面[3]。近年来,许多学者发现粉煤灰孔道多、比表面积大且具有吸附性能,可作为一种新型材料用于水处理领域[4-6]。但粉煤灰直接用于水处理,其吸附性能较差,因此需对粉煤灰进行改性处理。本文就粉煤灰的改性及其在水处理中的应用进行综述,并对粉煤灰的未来发展方向进行了展望。

1  粉煤灰性质

粉煤灰是灰白色或灰色的粉末状物质,其性质主要取决于燃煤种类、煤粉细度、燃煤方式及排灰收集方式等。粉煤灰的主要化学组成如表1所示[7],其中SiO2、Al2O3占77%左右,此外还含有少量的Fe2O3、CaO、TiO2等。粉煤灰由许多微粒组成,呈多孔蜂窝状,其平均几何粒径约为40μm,密度约为2.1t/m3,堆积密度780kg/m3,孔隙率一般为70%左右,比表面积约为25~50dm2/g,具有较强的吸附能力[8]。因此,可广泛用于水处理领域。

表1  我国火电厂粉煤灰主要化学成分(%)

成分

SiO2

Al2O3

TiO2

Fe2O3

CaO

MgO

K2O

Na2O

MnO

P2O5

SO3

烧失量

含量

49.2

27.8

1.3

6.6

3.2

0.8

1.2

0.5

0.06

0.3

0.7

7.5

 

2  粉煤灰在水处理中的应用

粉煤灰处理废水污水,主要取决于粉煤灰的吸附机理(物理吸附、化学吸附和离子交换吸附)[910]。物理吸附主要是通过分子间引力的作用,粉煤灰孔道越多,比表面积越大,其吸附性能越好,吸附是放热反应,因此可自发进行。化学吸附与离子交换吸附往往是同时发生的,粉煤灰中的Si2+、Al3+、Fe3+等活性强,可与吸附剂发生化学反应,形成离子交换,有时也可形成沉淀,通过混凝沉淀去除杂质。

基于粉煤灰的吸附特性,近年来粉煤灰已逐渐应用于染料废水、含酚废水、含砷废水、焦化废水、重金属离子废水及生活污水等的处理。粉煤灰对染料废水的脱色效果较好,Papandreou等[11]直接利用粉煤灰处理甲苯胺蓝,并研究阴、阳离子型表面活性剂对其吸附特性的影响。结果发现,由于甲苯胺蓝所带电荷与阳离子型表面活性剂所带电荷相同,两者互相竞争,使得甲苯胺蓝的吸附特性下降,若采用阴离子型表面活性剂,则粉煤灰对甲苯胺蓝的吸附性大大提高。王湖坤等[12]对粉煤灰处理含砷工业废水进行了研究,考察了吸附时间、温度、粉煤灰投加量对处理效果的影响,最终确定最佳工艺条件为:时间0min、温度25℃、投加量0.05g/mL时,砷的去除率为87.0%,与其它工艺相比,利用粉煤灰的吸附特性直接处理,工艺简单且成本低,但形成的污泥中富含砷,会对环境造成二次污染,因此必须对污泥进行再处理。

 

表2  粉煤灰处理不同类型废水一览表

处理类型

温度/

加灰量(g/mL

吸附容量(mg/g

去除率(%

印染废水

25

0.05

73.5

含砷废水

25

0.05

49.44

87.0

生活污水

22

0.01

89.00

86.0

含磷废水

25

0.05

3.95

89.0

 

生活污水中富含有机物、色度、磷等污染物,主要呈胶体状,粉煤灰与污染物充分接触,利用其吸附特性及粉煤灰孔道的截留作用,可对生活污水进行处理。董树军等[13]早在1997年就利用粉煤灰处理生活污水,研究了粉煤灰对生活污水中COD的吸附,验证了粉煤灰对于生活污水处理的可行性,虽然粉煤灰的去除率(86.0%)小于活性炭的去除率(95.5%),但活性炭成本高,且不可再生,而粉煤灰本身为废弃物,无成本,且可达到以废治废的目的。表2为近年来粉煤灰直接处理污水废水的研究,表明粉煤灰对水处理的可行性[1415]

2.1  改性粉煤灰应用于水处理

粉煤灰的改性主要有湿法和火法两种。湿法包括酸法和碱法,火法是将粉煤灰与碱熔剂按一定比例进行高温活化,其主要目的都是使粉煤灰中的Si2+、Al3+、Fe3+等浸出,对水中污染物进行吸附、混凝。


图1  原灰与改性粉煤灰对刚果红脱色率的比较

 

2.1.1  湿法改性粉煤灰的应用

用NaOH等碱性物质进行粉煤灰的改性,将两者混合,会直接破坏粉煤灰中的硅酸盐物质,使粉煤灰表面微孔变大,比表面积增大。酸改是直接利用酸浸出粉煤灰中的活性物质,使表面孔洞增多,比表面积增大。段小月等[16]研究了改性粉煤灰对刚果红的吸附,如图1所示:分别采用沸水浸泡、酸改、碱改及加热的方法进行粉煤灰的改性,利用FTIR仪测定粉煤灰的成分、XRD仪分析其官能团的变化。结果表明,改性前后粉煤灰的FTIR谱图无明显变化,而经碱改的粉煤灰在28.12°处出现新的衍射峰,说明有新的物质生成,经碱改后粉煤灰对刚果红的去除率为87.52%。

刘艳军等[17]对含铬废水进行了处理,用2mol/L的硫酸进行粉煤灰的改性,改性后粉煤灰表面由球状变为凹凸不平的孔洞,Si2+、Al3+、Fe3+大量浸出,比表面积增大,在pH为2~3的条件下,六价铬去除率为90%,且分析了影响六价铬去除率的因素,分别为初始质量浓度、pH值、吸附时间及吸附剂用量等。伍昌年等[18]利用NaOH处理粉煤灰,探讨了pH值、吸附时间、投加量、吸附温度及苯酚初始浓度对苯酚去除效果的影响,实验表明,苯酚去除率高达98%,进一步验证了改性粉煤灰对处理苯酚废水的可行性。此外,粉煤灰还可去除污水厂废水中的磷[19],将粉煤灰进行酸改后,结果表明,经酸改的粉煤灰净化效果比原灰高,磷的去除率可达98.7%,出水中磷浓度为0.043mg/L,改性后对磷的最大吸附量达4.37mg/g,出水达到《污水综合排放标准》QB8978—1996一级标准。

2.1.2  火法改性粉煤灰的应用

孙莹[20]研究了钢渣及改性粉煤灰对含铬废水的研究,将钢渣磨碎待用,因钢渣中含Mn、Fe等有害离子会对水体造成二次污染,因此进行含铬废水的处理前,必须先预处理,但工艺繁琐,且去除效果不好,仅为64.17%,而经高温活化的粉煤灰,孔隙率大大提高,体积膨胀,比表面积增大,可直接吸附水中铬离子,并且在改性粉煤灰投加量为0.1g/mL时,去除率为99.42%,远远高于钢渣及原灰去除率。黎苇等[21]研究了粉煤灰的改性及其对亚甲基蓝溶液的吸附性,将粉煤灰与ZnCl2混合均匀,高温煅烧1h,经处理后用于亚甲基蓝的脱色试验,其最佳吸附条件为溶液初始浓度10mg/L、粉煤灰加入量10mg/L、pH为5、吸附温度25℃,最终亚甲基蓝降解率为86.24%,脱色率为82.76%。

2.1.3  其它改性粉煤灰的应用

粉煤灰除通过酸改、碱改及高温活化外,也可使用其它试剂对其进行改性。陈广春[22]利用HDTMA(十六烷基三甲基溴化铵)对粉煤灰进行改性,并吸附处理酸性嫩黄染料废水,发现改性剂HDTMA覆盖在粉煤灰表面,使粉煤灰表面电性改变,增强了其对酸性嫩黄染料的吸附,去除率达到95%以上。王宇等[23]以火电厂固废粉煤灰为主要原料研制沸石,并用稀土镧进行改性处理,将沸石加入氯化镧溶液中,以150r/min恒温处理24h,洗至中性,烘干进行吸附试验,用以强化其脱氮除磷能力,研究了改性剂浓度、投加量、pH值的影响,用SEM分析技术对合成沸石进行了表征。结果显示:粉煤灰表面为光滑均匀的球状体,而合成产物呈晶型特征,表面微孔增多,改性后对氨氮和磷的最大吸附量为3.94和1.65mg/g,去除率分别为90%和95%。

3  结论

粉煤灰作为一种新型材料应用于水处理领域,其来源广泛、价格低廉、且具有以废治废的优点,相比其它水处理技术前景广阔。改性粉煤灰的开发利用,使粉煤灰在水处理领域的地位进一步提升。但有关粉煤灰吸附容量的研究还有待深入,且粉煤灰中含有微量有害重金属离子,这些金属离子的浸出会造成二次污染。因此,对于这方面还需特别的关注,随着实验技术及设备的不断更新,粉煤灰在水处理领域的推广和应用必将得到进一步拓展。

 

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