溫丙奎,劉珊珊,楊鴻凱,馬苑紅,何 江,張豐如
(嘉應(yīng)學院 化學與環(huán)境學院,廣東 梅州 514015)
粉煤灰是火力發(fā)電廠燃煤粉鍋爐排出的固體廢棄物,其比表面積大,呈多孔性蜂窩狀組織,因而具有良好的吸附性能,近幾年來被廣泛應(yīng)用于廢水處理、空氣凈化等環(huán)境治理方面[1-6]。
本研究對廣東梅縣某火電廠粉煤灰進行改性,改性后作為吸附劑對酸性大紅染料模擬廢水進行脫色研究,探討粉煤灰改性類型及其投加量、反應(yīng)溫度、吸附時間、反應(yīng)pH值、廢水濃度、廢水中NaCl含量等對模擬廢水脫色效果的影響規(guī)律及吸附脫色效果,找出最佳吸附處理條件,使粉煤灰達到以廢治廢的目的。
磁力攪拌器(79-1);可見分光光度計(722S);pH計(Phs-3C);電子天平(AL104);氣浴恒溫振蕩器(ZD-85)等。
粉煤灰(廣東梅縣某電廠,過200目篩子);硫酸(H2SO4);氫氧化鈉(NaOH);鹽酸(HCl);酸性大紅染料等。
稱取酸性大紅染料0.14 g,移入1000 mL的容量瓶中,用蒸餾水稀釋至標線,搖勻。該模擬廢水的濃度為140 mg/L,吸光度A為2.131,溶液pH值5~5.5。
配置一定量的200 mg/L的酸性大紅標準液,分別移取0、1、2、4、8、16 mL于比色管中,用蒸餾水稀釋至50 mL,則其濃度分別為0、4、8、16、32、64 mg/L,在最大吸收波長500 nm處分別測定各濃度標準液的吸光度。
在縱坐標處繪制吸光度,對應(yīng)在橫坐標處繪制酸性大紅濃度,得出標準曲線,如圖1所示。
圖1 酸性大紅標準曲線
標準曲線的線性函數(shù)式為:y = 0.0151x + 0.0173,線性相關(guān)系數(shù)R2= 0.9992。實驗過程中根據(jù)此標準曲線來計算其吸附后濃度。
取400 mL濃度為2 mol/L的NaOH與濃度為2 mol/L的HCl作為改性劑溶液,分別投加100 g粉煤灰,在室溫條件下用磁力攪拌器以200 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌30 min,靜置沉淀30 min,抽濾,最后將所得固體洗凈后烘干,碾碎,制得酸、堿改性粉煤灰。
移取一定體積的酸性大紅模擬廢水于具塞錐形瓶中并調(diào)節(jié)至一定pH值,再稱取一定量的吸附劑加入具塞錐形瓶中,然后將錐形瓶置于恒溫振蕩箱中進行振蕩,在一定溫度下,振蕩一定時間后取出,靜置,經(jīng)定量濾紙過濾后,用可見分光光度計測定濾液的吸光度并計算不同條件下其脫色率,求出處理后廢水濃度。
脫色率的計算公式如下:
上式中A0為初始模擬廢水的吸光度,A為處理后模擬廢水的吸光度,色度采用稀釋倍數(shù)法測定。
吸附量的計算公式:
Qe為吸附量(mg/g),C1為吸附前染料廢水的濃度(mg/mL),C2為吸附平衡染料廢水的濃度(mg/L),V為取用染料廢水的體積(mL),m投加的為吸附劑的質(zhì)量(g)。
在3個100 mL酸性大紅模擬廢水樣中,分別加入未改性粉煤灰、NaOH改性粉煤灰、HCl改性粉煤灰各4 g,于振蕩箱中在溫度為20℃的條件下以200 r/min的轉(zhuǎn)速振蕩30 min,然后靜置30 min,經(jīng)定量濾紙過濾后,取濾液測吸光度并計算脫色率,如表1所示。
表1 不同吸附劑對酸性大紅模擬廢水的脫色率
由表1可知,NaOH改性粉煤灰相對于其他兩種粉煤灰,對酸性大紅模擬廢水的脫色效果較好,選為本實驗的吸附劑。
分別稱量改性粉煤灰1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 g加入10個盛有100 mL濃度為140 mg/L的酸性大紅模擬廢水的具塞錐形瓶中,于振蕩箱中在溫度為20℃的條件下,以200 r/min的速度進行振蕩,振蕩30 min后取出,經(jīng)定量濾紙過濾后,取濾液測吸光度并計算脫色率,如表2所示。
由表2可知,隨著吸附劑投加量不斷增加,吸附后濃度不斷降低,脫色率不斷增大,但改性粉煤灰吸附劑的投加量大于7 g以后,脫色率增大不再明顯。所以從處理效果、處理成本等方面綜合考慮,吸附劑的投加量以7 g為宜。
表2 改性粉煤灰投加量與脫色率的關(guān)系
分別取100 mL的濃度為140 mg/L的酸性大紅模擬廢水于5個具塞錐形瓶中,各投加7 g改性粉煤灰,控制溫度20、25、30、35、40℃,在恒溫振蕩箱內(nèi)以200 r/min的速度進行振蕩,振蕩30 min后取出,經(jīng)定量濾紙過濾后取濾液測其吸光度并計算脫色率,如表3所示。
由表3可知,改性粉煤灰吸附酸性大紅模擬廢水,隨著溫度升高,脫色率也上升,說明升溫有利于改性粉煤灰對酸性大紅模擬廢水的吸附。但溫度對脫色率影響不大,本文選用常溫20℃作為后續(xù)實驗條件。
表3 反應(yīng)溫度與吸附效果關(guān)系
分別稱取7 g改性粉煤灰于6個盛有100 mL濃度為140 mg/L的酸性大紅模擬廢水的具塞錐形瓶中,將錐形瓶放入振蕩箱中在溫度為20℃的條件下,以200 r/min的速度進行振蕩,依次在振蕩時間為10、20、30、40、50、60 min時取出,經(jīng)定量濾紙過濾后,取濾液測其吸光度,并計算脫色率,如表4所示。
表4 振蕩時間與脫色率關(guān)系
從表4可知,改性粉煤灰吸附酸性大紅模擬廢水,隨著振蕩時間的增加,脫色率隨著增大,但在振蕩時間超過50 min以后增加不再明顯,本研究認為振蕩50 min為較佳的反應(yīng)時間,將其作為后續(xù)實驗的振蕩時間。
移取體積為100 mL的140 mg/L酸性大紅模擬廢水于8個具塞錐形瓶中,用硫酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)瓶中的pH值,使各錐形瓶中的酸性大紅模擬廢水的pH值分別為2、3、4、5、6、7、8、9,各加入7 g改性粉煤灰倒入錐形瓶后放入振蕩箱中溫度為20℃的條件下,以200 r/min的速度進行振蕩50 min后取出,經(jīng)定量濾紙過濾后,取濾液測量吸光度并計算脫色率。測量結(jié)果如表5所示。
表5 pH值與脫色率的關(guān)系
從表5可知,改性粉煤灰吸附酸性大紅模擬廢水,廢水的pH的變化會對脫色率造成影響,當pH值為3時脫色率達到最小值,pH值為7時脫色率最大,本研究認為最佳pH值為7。
分別稱取7 g改性粉煤灰于6個盛有100 mL濃度分別為100、140、200、300、400、500 mg/L的酸性大紅模擬廢水的具塞錐形瓶中,將pH值調(diào)節(jié)至7后放入振蕩箱中,在溫度為20℃的條件下,以200 r/min的速度進行振蕩50 min后取出,經(jīng)定量濾紙過濾后,取其濾液測其吸光度并計算脫色率,結(jié)果如表6所示。
表6 廢水濃度與脫色率的關(guān)系
從表6可知,改性粉煤灰對酸性大紅模擬廢水的吸附受模擬廢水的濃度影響,隨著模擬廢水濃度的不斷增大,吸附劑脫色效果不斷降低。分析其原因,是因吸附劑投加量不足造成。所以在處理較高濃度印染廢水時,需較大的粉煤灰投加量才能使廢水達到國家標準《紡織染整工業(yè)水污染物排放標準》(GB 4287-2012)。
移取100 mL濃度為140 mg/L的酸性大紅模擬廢水于6個具塞錐形瓶中,分別加入7 g改性粉煤灰, 再分別往其中5個錐形瓶中投加質(zhì)量為0.1、0.2、0.5、1、2 g的NaCl,將全部錐形瓶放入振蕩箱中,在溫度為20℃的條件下,以200 r/min的速度進行振蕩50 min后取出,經(jīng)定量濾紙過濾后,取濾液測量吸光度并計算脫色率。結(jié)果如表7所示。
表7 廢水中NaCl含量對脫色的影響
由圖7可知,染料廢水中隨著氯化鈉量的增加,改性粉煤灰對染料廢水中的燃料的吸附性能逐漸降低,脫色率也隨著降低。
通過改性粉煤灰對印染廢水的吸附脫色處理的研究中得出:
(1)廢水的濃度越高需要投加的改性粉煤灰的量也越多,或稀釋廢水后再進行吸附處理。
(2)吸附質(zhì)溫度會對吸附效果造成一定影響。實驗發(fā)現(xiàn),吸附質(zhì)的溫度較高時,吸附效果較好,現(xiàn)實中由于印染加工大多在高溫條件下進行,排放廢水的水溫一般比較高,所以用改性粉煤灰對溫度較高的印染廢水進行吸附時,不需要做降溫預(yù)處理。
(3)印染廢水中的氯化鈉含量過高,會導致粉煤灰的吸附能力降低,脫色率降低,因此要盡量除鹽。
(4)試驗后得出了該種改性粉煤灰最佳脫色條件是:在pH值為7的時,每100 mL酸性大紅模擬廢水投加7 g改性粉煤灰,振蕩吸附50 min后,改性粉煤灰對酸性大紅染料廢水的吸附能力強,脫色效果最好。脫色后印染廢水可以達到國標《紡織染整工業(yè)水污染物排放標準》(GB 4287-2012)的間接排放標準。
(5)改性粉煤灰作為吸附劑能除去印染廢水中大部分的色度,通過改性的方法改變粉煤灰的吸附性能,能使粉煤灰達到較好的吸附性能,當模擬廢水濃度較高時也能達到較好的脫色效率,有很好的應(yīng)用前景。