吉 培

（霍州煤電集團興盛園煤業(yè)有限責任公司，山西 臨汾 031400）

0 引言

在整個煤礦工業(yè)流程中，煤炭的開采環(huán)節(jié)會產生大量的煤矸石，而煤炭的加工環(huán)節(jié)則會產生大量的焦化廢水，如煤矸石和焦化廢水未得到及時有效處理，則會對環(huán)境產生較為突出的污染問題，而以往的處理模式則不盡如人意[1-2]。為此，利用煤矸石的吸附性能對焦化廢水進行處理則是一個切實可行的途徑。在本次研究中，將依據(jù)這一理念，將煤矸石進行改性處理后制備為吸附劑，并在深度處理階段對焦化廢水進行處理，以除去其中大量的氨氮和COD，實現(xiàn)更為有效的廢水處理過程。

1 實驗設計與方法

1.1 實驗試劑與儀器

本次實驗的原材料煤矸石和焦化廢水均取自某煤礦企業(yè)，實驗過程中使用的去離子水為自制。同時，本次實驗使用的藥品包括濃鹽酸、濃硫酸、氯化銨、氫氧化鈉、氯化鋅、碘化鉀、重鉻酸鉀等，以上藥品純度均為分析純，均采購自國藥集團化學試劑有限公司。

除上述實驗藥品外，本次實驗中所使用的主要儀器設備如表1 所示。

表1 主要實驗儀器設備

1.2 改性煤矸石的制備

改性煤矸石的制備主要分為以下幾個步驟：

1）使用去離子水沖洗煤矸石表面除去灰塵，并烘干，再用粉碎機對煤矸石進行粉碎處理；

2）使用100 目（150 mm）篩對粉碎后的煤矸石進行篩選，并使用氯化鋅溶液與篩選后的煤矸石進行充分混合，置于馬弗爐中，以600 ℃進行煅燒2 h；

3）煅燒完成后取出自然冷卻，并使用硫酸酸化回流1 h，而后沖洗至中性并烘干；

4）烘干后的煤矸石使用研缽研磨成粉末，收集60 目（0.25 mm）以下的顆粒裝入密封袋，并保存在干燥器中，即獲得改性煤矸石吸附劑[3]。

2 改性煤矸石吸附氨氮和COD 的實驗分析

2.1 吸附氨氮的實驗分析

在實驗中，將一定量的改性煤矸石投入到焦化廢水中，一定時間后對氨氮含量進行測定，并采用控制變量法對影響吸附效果的因素進行分析：

一是對改性煤矸石添加量的影響進行分析。分析結果如圖1 所示。

圖1 不同添加量對吸附效果的影響

根據(jù)圖1 可知，隨著添加量的提高，氨氮的去除率也隨之提升，同時單位質量的改性煤矸石對氨氮的吸附量也進一步增加。初步推斷，原因是在投入較多的改性煤矸石后，反應體系下具有更多的吸附位點，而提升了氨氮的去除率。從變化曲線來看，在改性煤矸石投加量超過10 g/L 后，氨氮去除率上升明顯放緩，因此10 g/L 的添加量最為可行。

二是對pH 值的影響進行分析。分析結果如圖2所示。

圖2 不同pH 對吸附效果的影響

從圖2 可知，隨著pH 值的不斷增長，氨氮去除率也呈現(xiàn)上升態(tài)勢，其主要原因是，當pH 增大后，氨氮的存在形式傾向于游離氨，且在堿性條件下，煤矸石表面也存在較多負電荷，使得吸附效果也相對較優(yōu)[4-5]。綜上所述，在本次研究中確定最適的pH 值為9.0。

三是對溫度的影響作用進行分析。分別在15、25、35 ℃3 個不同溫度下，對改性煤矸石的氨氮去除率進行測定，測定結果如表2 所示。

表2 不同溫度下改性煤矸石的氨氮去除率分析

從表2 中的數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高，改性煤矸石在氨氮去除率和氨氮吸附量兩項指標上均呈現(xiàn)明顯上升的態(tài)勢，證明溫度升高對提升上述兩項指標具有重要作用。

2.2 吸附COD 的實驗分析

在本環(huán)節(jié)的實驗中，將一定量的改性煤矸石投入到焦化廢水中，一定時間后對氨氮含量進行測定，并采用控制變量法對影響吸附效果的因素進行分析：

一是分析投加量對吸附效果的影響。分析結果如圖3 所示。

圖3 不同投加量下的COD 吸附效果

根據(jù)圖3 可知，隨著添加量的提高，COD 的去除率也隨之提升，同時單位質量的改性煤矸石對COD的吸附量也進一步增加。初步推斷，原因是在投入較多的改性煤矸石后，反應體系下具有更多的吸附位點，而提升了COD 的去除效果。相對來看，在添加量超過24 g/L 時，COD 的去除率幾乎不再增長，因此確定在COD 吸附實驗中的最優(yōu)添加量為24 g/L。

二是對pH 值的影響進行分析。分析結果如圖4所示。

圖4 不同pH 值下的COD 吸附效果

從圖4 可見，隨著pH 值的上升，改性煤矸石的COD 吸附效果呈現(xiàn)明顯下降的態(tài)勢，這與氨氮吸附隨pH 的變化情況截然相反。初步推斷，造成這種變化的主要原因是，當pH 值較高時，改性煤矸石面的負電荷與COD 中酚類物質的OH-產生排斥作用，造成吸附效果不甚理想。結合去除效果綜合考慮后，確定在去除COD 條件下，pH=5.0 作為后續(xù)吸附實驗的參數(shù)。

三是對溫度的影響進行分析。分別在15、25、35 ℃3 個不同溫度下，對改性煤矸石的COD 去除率進行測定，測定結果如表3 所示。

表3 不同溫度下改性煤矸石的COD 去除率分析

從表3 中的數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高，改性煤矸石在COD 去除率和COD 吸附量兩項指標上均呈現(xiàn)明顯上升的態(tài)勢，證明溫度升高對提升上述兩項指標具有重要作用。

3 實際應用及討論

結合以上研究結果，研究人員決定對本次制備的改性煤矸石的實際應用效果進行測試，本次在某煤化工企業(yè)取兩種已進行生化處理后的焦化廢水水樣進行分析，兩種水樣的基本水質情況如表4 所示。

表4 焦化廢水水樣水質情況

為兼顧改性煤矸石對氨氮和COD 的吸附效果，本次確定煤矸石投加量為36g/L，水樣pH 值調節(jié)為7.0，由此進行吸附實驗，吸附結果如表5 所示。

表5 改性煤矸石的實際吸附效果

從表5 的數(shù)據(jù)可知，本次實際測試中，改性煤矸石對氨氮和COD 的處理效果稍低于前文中的實驗結果，這與實際廢水成分復雜不無關聯(lián)。但整體來看，處理結果仍然較優(yōu)，能夠確保處理后的氨氮和COD 值均低于GB 16171—2012 的標準要求，證明本次制備的改性煤矸石在處理廢水中氨氮和COD 時具有一定的現(xiàn)實應用價值。

4 結語

整體來看，在本次研究中，通過對煤矸石進行處理以制備改性煤矸石，而后將改性煤矸石應用于焦化廢水中的氨氮和COD 吸附處理。處理結果顯示，本次制備的改性煤矸石在實驗條件下和實際應用過程中均顯示出較優(yōu)的效果，證明其在焦化廢水處理中具有一定的應用價值，有待于進一步研究和應用。