劉延慧(攀枝花學(xué)院產(chǎn)教融合發(fā)展部(公共實驗教學(xué)中心)，四川 攀枝花 617000)

0 引言

粉煤灰含有多孔玻璃體和多孔炭粒，比表面積大，吸附活性高，多用粉煤灰做吸附劑處理廢水[1]。粉煤灰在燃燒過程中因氣體是否逸出會形成開放性孔穴和封閉性孔穴，通過化學(xué)改性方法可以打開封閉性孔穴，進(jìn)一步增大粉煤灰比表面積可孔隙率，提高吸附性能。目前粉煤灰改性方法主要有酸改性、堿改性、鹽改性、表面活性劑改性、混合改性[2]。試驗利用堿法改性粉煤灰，藉以為粉煤灰高效利用提供基礎(chǔ)資料。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

722S型分光光度計，磁力攪拌器等；堿性品紅，氫氧化鈣，氫氧化鈉，PDMDAAC等。

1.2 模擬印染廢水的配制

稱取0.05g堿性品紅，定容至1000mL，配制50mg/L模擬印染廢水備用。

1.3 實驗方法

實驗采用堿法對粉煤灰進(jìn)行改性，采用堿性品紅模擬印染廢水。向模擬印染廢水中投加一定量堿法改性粉煤灰，在室溫下200r/min轉(zhuǎn)速攪拌吸附15min，取上層清液于最大波長為543nm處測定其吸光度A，計算脫色率。實驗考查改性劑的最佳配比、改性粉煤灰投加量、吸附攪拌時間和pH值，得到堿法改性粉煤灰吸附模擬印染廢水的適宜條件。

1.4 廢水脫色率的計算

采用分光光度法對廢水色度進(jìn)行測定，脫色率η(%)按式(1)計算：

式中：A0為模擬染料廢水吸光度；A為染料廢水經(jīng)粉煤灰吸附后的吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同堿性改性劑改性粉煤灰對廢水脫色率影響

在室溫下，分別向5份50mL的模擬廢水中加入未改性粉煤灰與各改性劑改性的粉煤灰0.2g，吸附處理廢水后，測定其上層清液的吸光度，計算脫色率，結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法改性粉煤灰對脫色率的影響

粉煤灰主要成分是二氧化硅和氧化鋁，屬于硅鋁酸鹽，此外，還含有少量的氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂和未燃盡的碳，因此鋁硅活性點較多。而且粉煤灰因孔隙多比表面積大，比表面能高，吸附能力強(qiáng)。對其進(jìn)行改性后，可以進(jìn)一步增大孔隙率，增大粉煤灰潛在活性，進(jìn)一步增強(qiáng)吸附性能。從表1可以看出，改性后粉煤灰處理廢水效果更好，NaOH與PDMDAAC混合改性粉煤灰比其他幾種改性粉煤灰處理印染廢水效果好。這是因為堿性改性劑能激發(fā)粉煤灰潛在活性，其致密態(tài)的玻璃結(jié)構(gòu)和表面保護(hù)膜層能被堿性物質(zhì)破壞，釋放出內(nèi)部可溶性氧化鋁、氧化硅的活性，經(jīng)水化反應(yīng)生成水化產(chǎn)物，使粉煤灰中玻璃體的硅氧鍵、鋁氧鍵在水化反應(yīng)中快速斷裂，增大孔隙率，從而大大提高了粉煤灰的吸附能力。

2.2 NaOH與PDMDAAC混合改性粉煤灰改性劑最佳配比確定

NaOH與PDMDAAC分別按1:1、1:1.5、1:2、2:1、2:1.5質(zhì)量比改性粉煤灰，吸附處理模擬印染廢水，結(jié)果如表2所示。

表2 NaOH與PDMDAAC比例對脫色率的影響

從表2可知，NaOH和PDMDAAC的質(zhì)量比為1/2時，脫色率較高，這是因為PDMDAAC吸附在粉煤灰表面，粉煤灰表面電性發(fā)生改變，改性后粉煤灰?guī)д姾?，由于堿性品紅帶負(fù)電，因而改性粉煤灰既具有吸附能力，也具備電中和能力，增強(qiáng)了粉煤灰處理效果[3]。NaOH和PDMDAAC的質(zhì)量比過高或過低，脫色率都下降。試驗采用NaOH和PDMDAAC比例在1/2時，即各加相同質(zhì)量的改性劑來改性粉煤灰，吸附處理效果較好。

2.3 NaOH與PDMDAAC混合改性粉煤灰最佳投加量確定

投加NaOH與PDMDAAC混合改性粉煤灰分別為0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g，到50mL模擬廢水，在室溫下200r/min轉(zhuǎn)速攪拌吸附15min，取上層清液于λmax為543nm處測定其吸光度A，計算脫色率，結(jié)果如表3所示。

表3 粉煤灰用量對脫色率的影響

由表3可知，隨著粉煤灰的投加量的增加脫色率增加，在投加量在0.4g時脫色率達(dá)到最大值51.2%。但當(dāng)粉煤灰用量再增加時，脫色率幾乎不再變化。這是因為隨粉煤灰用量增加，吸附點位增多，脫色率增大[4]。但繼續(xù)增加粉煤灰用量，脫色率變化不大。因為堿性品紅量一定，當(dāng)吸附達(dá)到動態(tài)平衡時，溶液中的游離堿性品紅將不能被吸附。綜合考慮后期的分離及經(jīng)濟(jì)成本等因素，對模擬廢水采用0.4g改性粉煤灰投加量為宜。

2.4 NaOH與PDMDAAC混合改性粉煤灰最佳反應(yīng)時間確定

取50mL模擬廢水，投加0.4g改性粉煤灰，在室溫下200r/min轉(zhuǎn)速攪拌每隔5min取上層清液于543nm處測定其吸光度A，計算脫色率，結(jié)果如表4所示。

表4 反應(yīng)時間對脫色率影響

由表4可知，粉煤灰對堿性品紅的吸附效果明顯，在攪拌時間為10min時，達(dá)到了較高脫色率，之后脫色率變化不大。這是因為濃度差變化導(dǎo)致吸附推動力變化引起的，改性粉煤灰剛投入廢水時，染料分子在粉煤灰表面和溶液中濃度差最大，此時吸附推動力也最大，造成吸附速率快。但是隨著時間的延長，濃度差異減小，吸附推動力變小，吸附速率變緩。考慮經(jīng)濟(jì)因素，試驗采用吸附時間為10min。

2.5 NaOH與PDMDAAC混合改性粉煤灰最佳pH確定

取6份50mL模擬廢水，均投加0.4g改性粉煤灰，分別調(diào)節(jié)pH=2、4、6、8、10、12,在室溫下200r/min轉(zhuǎn)速攪拌，吸附10min，取上層清液于543nm處測定其吸光度A，計算其脫色率，結(jié)果如表5所示。

表5 pH值對脫色率影響

由表5可知，在酸性范圍內(nèi)，堿法改性粉煤灰對堿性品紅的脫色效果較好，在堿性條件下，脫色率有所下降。這可能因為在酸性條件下粉煤灰中的Al2O3，F(xiàn)e2O3等溶解為Al3+、Fe3+，其具有一定的絮凝作用，同時粉煤灰的比表面積也有所增加，吸附性能提高。當(dāng)pH大于8時，改性粉煤灰對廢水的脫色率降低，可能是由于隨著pH值的升高，染料分子因電離產(chǎn)生大量負(fù)電荷，同時粉煤灰表面也吸附大量的OH-，染料和粉煤灰之間形成靜電斥力，從而導(dǎo)致脫色率的降低。當(dāng)pH在中性范圍時，脫色率較高，綜合考慮到對設(shè)備的腐蝕情況等，所以不需要對廢水的pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.6 正交實驗

從單因素實驗可以看出對改性粉煤灰吸附性能影響較大的因素有NaOH與PDMDAAC質(zhì)量比、改性粉煤灰的投加量和溶液pH，故作3因素3水平的正交實驗。結(jié)果如表6和表7所示。

表6 實驗水平及因素

表7 正交實驗表

從正交實驗數(shù)據(jù)分析可得，各因素對模擬廢水脫色率的影響順序依次為：pH>NaOH與PDMDAAC質(zhì)量比>粉煤灰投加量。各因素較佳水平為：NaOH和PDMDAA質(zhì)量比1:1，改性粉煤灰投加量0.6g，溶液pH為8。

3 結(jié)語

改性粉煤灰吸附模擬印染廢水，通過單因素實驗可以得到對改性粉煤灰吸附性能影響較大的因素有NaOH與PDMDAAC質(zhì)量比、改性粉煤灰的投加量和溶液pH，故選用這三個變量進(jìn)行三因素三水平正交實驗。從正交實驗數(shù)據(jù)分析可得，各因素對模擬廢水脫色率的影響順序依次為：pH>NaOH與PDMDAAC質(zhì)量比>粉煤灰投加量。各因素較佳水平為：NaOH和PDMDAA質(zhì)量比1:1，改性粉煤灰投加量0.6g，溶液pH為8。