改性粉煤灰对染料吸附的研究 - 图文

唐 山 学 院 毕 业 设 计

研究开发这类技术。特别要提出的是，有些电厂通过直接开发粉煤灰精细利用项目，并取得一定的经济效益，由此可去补偿那些效益低、用灰量大的利用项目[5]。

（2）粉煤灰综合利用的前景

近年来，由排灰单位与高等院校、科研机构联手，开展了粉煤灰的精细利用研发，如：防腐蚀材料、处理工业废水、合成沸石、反光材料以及微晶玻璃等科学研究，取得了较为丰硕的成果。粉煤灰中存在有大量的Si、Al等活性点，可以通过化学键跟吸附质结合，同时粉煤灰的比表面积较大，结构多孔，具有一定的吸附性

[6]

，利用粉煤灰的吸附性处理废水中的悬浮物，有色物质和耗氧物质或处理废气中

的有害气体达到以废治废，综合利用资源的目的[7]。但由于粉煤灰吸附容量不高，为使其更好得处理废水，应对粉煤灰进行改性。改性后，粉煤灰的比表面积和空隙率增大，其中大量的活性点也被释放出来，吸附性能也相应地增大。因此近年来的诸多研究都是围绕粉煤灰的改性展开。

1.2粉煤灰的改性方法

粉煤灰因其含有多孔玻璃体、多孔炭粒，呈多孔性蜂窝状组织，比表面积较大，同时还具有活性基团，吸附活性高，因此多用粉煤灰做吸附剂处理废水。但由于粉煤灰吸附容量不高，对其进行改性，使其更适于废水处理就显得非常必要。因此近年来的研究多围绕粉煤灰的改性方法展开[8]，目前采用较多的粉煤灰的改性方法有酸改性、碱改性、盐改性、表面活性剂改性、混合改性[9]。

1.2.1酸改性

用酸对粉煤灰进行改性可使表面比较光滑致密的原状粉煤灰颗粒表面变得粗糙，形成许多孔洞和凹槽，增大了粉煤灰颗粒的比表面积。吸附效果与吸附剂的比表面积成正比，因此与原始粉煤灰比较而言，经酸改性的粉煤灰的吸附能力增强，而且经酸改性处理后的粉煤灰可以释放出大量的H2SiO3 、Al3+、Fe3+等成分，H2SiO3可捕收悬浮颗粒，起混凝吸附架桥作用，Al3+、Fe3+可起絮凝沉降作用 [10]。酸改性后的粉煤灰由于几种综合作用而去除污染物性能增强。常用的酸有H2SO4、HCl、HNO3等，其中H2SO4对粉煤灰中Al3+的浸出效果较好，HCl对粉煤灰中Fe3+的浸出效果较好，经酸改性后粉煤灰的比表面积普遍增大。

Wang等[11]用HCl对粉煤灰进行改性后，粉煤灰的比表面积由15.6m2/g增大到28.3m2/g，然后用改性粉煤灰吸附水中的罗丹明B、结晶紫和亚甲基蓝这3种碱性染料。结果表明，HCl改性后的粉煤灰对3种染料的吸附性能提高，而且对亚甲基蓝的去除能力高于结晶紫和罗丹明B。

6

唐 山 学 院 毕 业 设 计

1.2.2碱改性

当用碱对粉煤灰改性时，碱性氧化物会与粉煤灰玻璃体表面可溶性物质反应生成胶凝物质，并使粉煤灰中的非晶状玻璃及莫来石相熔融，从而提高活性，同时存在于粉煤灰颗粒表面的SiO2会发生化学解离而产生可变电荷，这样可以破坏粉煤灰颗粒表面的坚硬外壳，从而增大其比表面积。粉煤灰颗粒表面上的羟基中的H+在碱性条件下还可以发生解离，从而使颗粒表面部分带负电荷，因此废水中带正电荷的阳离子型染料和金属离子很容易被吸附在改性后的粉煤灰颗粒表面。改性前后粉煤灰由表面光滑的球状变为非常粗糙的不规则体，其比表面积得以提高[9]。

Woolard等采用水热法以NaOH对粉煤灰进行了改性，结果显示改性后的粉煤灰比表面积增加了8倍。吸附实验表明，较于阴离子型染料alizarin sulfonate，改性粉煤灰对阳离子型染料亚甲基蓝的吸附性能显著较高，当吸附达到饱和时，由于改性粉煤灰的比表面积增大，改性粉煤灰对亚甲基蓝的吸附量为原始粉煤灰的10倍。Wang等[9]以NaOH对粉煤灰进行改性，并且用它来去除溶液中的染料分子和重金属离子，研究发现经改性的和原始的粉煤灰均能很好地去除阳离子型染料亚甲基蓝和重金属离子，但对罗丹明B的去除效果较差。用NaOH改性后的粉煤灰对溶液中镍离子和铜离子的去除率可提高到90%；将其用于处理废水中的亚甲基蓝，结果表明与未改性的粉煤灰相比，改性粉煤灰对亚甲基蓝的吸附能力从6×10－6mol/g提高到8×10-6mol/g[9]。Li等[9]采用熔融法，以固态NaOH对粉煤灰进行了改性，并用它来吸附水中的结晶紫和亚甲基蓝，结果表明，改性的粉煤灰有更高的吸附能力，而且对结晶紫的吸附能力高于亚甲基蓝。然而并不是所有研究结果都证实对粉煤灰改性可提高它的吸附能力。Hsu等[9]用NaOH对粉煤灰进行了改性，结果发现NaOH改性后的粉煤灰虽然提高了比表面积，但并没有提高其吸附Cu2+的能力。

[9]

1.2.3盐改性

刘发现等[12]采用氯化铁、氯化钾和氯化钙分别对NaOH改性后的粉煤灰进行离子交换，分别得到了铁、钾和钙改性的粉煤灰。用其处理印染废水，结果表明，改性后的粉煤灰脱色率为71.0%～99.4%，COD的除去率为66.3%～81.9%，其中钙改性粉煤灰是一种很好的污水处理剂，其对印染废水的脱色效果最好，而且沉降速度快，去除COD也优于其它改性粉煤灰。Wu等[9]用粉煤灰制成沸石，然后用盐对其进行改性，分别得到了Ca、Fe、Al和Mg改性的沸石材料，并用这些改性沸石来同时去除水中的磷酸盐和氨氮，结果发现能很好的同时去除水中的磷酸盐和氨氮的是经铝盐改性的沸石。曾经等[13]采用A1(NO3)3溶液对粉煤灰进行了改性。结果表明，改性粉煤灰对Cu2+具有较强的吸附性能，特性吸附和静电吸附是主要吸附形式，pH值是影响吸附的主要因素。

7

唐 山 学 院 毕 业 设 计

1.2.4表面活性剂改性

表面活性剂是指能使表面张力显著下降的物质，其具有固定的亲水亲油基团，可以在溶液的表面定向排列。近年来一些研究者采用表面活性剂对粉煤灰的改性进行了一系列的研究。十六烷基三甲基溴化铵（HDTMA）是一种阳离子表面活性剂。胡巧开等[14]采用十六烷基三甲基溴化铵对粉煤灰进行改性，结果显示，用十六烷基三甲基溴化铵改性的粉煤灰对二甲酚橙的吸附去除率明显高于未改性的粉煤灰。

Banerjee等[9]采用十六烷基三甲基溴化铵对粉煤灰进行了改性，之后用改性粉煤灰来处理海面上的石油。结果表明，经十六烷基三甲基溴化铵改性后的粉煤灰对海面上漂浮的原油具有很好的吸附去除能力。在另一篇文献中报道，分别采用四乙胺（TEA）、十六烷基三甲基溴化铵（HDTMA）、溴化十四烷基苄基二甲基铵（BDTDA）对粉煤灰进行改性，并用其对阴离子型染料的吸附能力来考察改性后粉煤灰的吸附性能，结果表明，经四乙胺（TEA）、十六烷基三甲基溴化铵（HDTMA）、溴化十四烷基苄基二甲基铵（BDTDA）这些表面活性剂改性后的粉煤灰吸附性能均得到了提高。聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）是一种水溶性阳离子高聚物，在水处理领域中应用广泛。研究结果显示，采用聚二甲基二烯丙基氯化铵对粉煤灰进行改性，可以提高粉煤灰的对废水的吸附能力[15-16]。岳钦艳等[15]采用聚二甲基二烯丙基氯化铵对粉煤灰进行改性，结果表明，改性粉煤灰对分散红紫和活性黄的模拟染料废水都有很好的脱色效果，吸附电中和是其主要的脱色机理。在一定范围内，脱色效果随着改性粉煤灰投量的增加而增强，而溶液的pH值和反应时间对脱色效果的影响不大，此改性粉煤灰可用于印染废水的处理。Cao等[16]采用聚二甲基二烯丙基氯化铵对粉煤灰进行改性，结果表明，改性粉煤灰对染料分子的去除能力比未改性的粉煤灰高出12.5%，对有机分子的吸附能力和离子交换能力都得到了增强。

[9]

1.2.5混合改性

有时，为进一步提高粉煤灰对水中污染物的去除能力可混合采用几种改性方法对粉煤灰进行处理。李尉卿等[17]采用碳酸钠、硫酸及碳酸钠处理后再加硫酸等改性方法对粉煤灰进行改性，然后用其处理垃圾渗滤液、造纸废水和生活废水，结果表明，Na2CO3+H2SO4改性的粉煤灰的吸附性能为最优，其原因是Na2CO3+H2SO4改性的粉煤灰既可以吸附废水中的有机物，具有沸石的吸附性能，又具有了聚合硫酸铝的絮凝性质，在废水中起到絮凝和架桥作用。陈雪初等[18]将NaCl与粉煤灰在高速混合机中混合均匀后投入焙烧炉中煅烧，再向焙烧后冷却的物料中添加15%的H2SO4，将反应后的物料烘干磨细即可得到混合改性的粉煤灰粉末。研究结果表明：与未改性的粉煤灰相比，采用此工艺改性的粉煤灰除废水中的磷性能显著提升，约为未改性粉煤灰投加量1/20时即可达到与未改性粉煤灰相当的除磷效果。于晓彩等[19]采用

8

唐 山 学 院 毕 业 设 计

H2SO4和HCl对粉煤灰进行了混合改性，制成了粉煤灰吸附混凝剂，研究了改性后的粉煤灰对含非离子表面活性剂烷基苯酚聚氧乙烯醚（OP-10）废水处理的规律，结果表明，以盐酸和硫酸的摩尔比为1:1的混合液为改性剂改性的粉煤灰对含OP-10废水具有良好的吸附性能，在pH值为1～3，OP-10质量浓度为300～1800mg/L，改性粉煤灰质量浓度为200g/L，粉煤灰的粒径范围为74～83μm的实验条件下，OP-10的去除率大于92%。

近几年，微波技术和超声已经被用于制备材料，并且它们表现出比传统方法更高的效率。Wang等[20]将NaOH溶液和粉煤灰混合，置于超声波水浴池中，用超声处理一段时间后过滤洗涤烘干，得到了NaOH和超声共同改性的粉煤灰，并将其用来去除水中的亚甲基蓝。结果表明，与未改性的粉煤灰相比，混合改性的粉煤灰对亚甲基蓝的吸附能力从6×10－6mol/g提高到1.2×10－5mol/g。他们还将粉煤灰和一定浓度的盐酸溶液混合[9]，然后分别置于微波和超声波浴池中，制得了盐酸和微声以及盐酸和超波共同改性的粉煤灰，其对亚甲基蓝、晶体兰和罗丹明B的吸附实验表明：未改性的粉煤灰对这些染料表现出较高的吸附能力，而经改性的粉煤灰吸附能力得到了进一步的提高，微波处理的粉煤灰吸附性能最佳。

1.3 改性粉煤灰的应用

改性后的粉煤灰一方面由于吸附能力大大增强，可代替活性炭等专用吸附剂，处理废水、废气等里的有害物质；另一方面，由于改性后粉煤灰中的金属元素Al、Fe等被较好地溶出，这些带正电荷的离子不仅可以起到电中和，而且还可以与非离子表面活性剂形成高分子聚合物，随着缩聚的不断进行，聚合物的电荷会不断增加，最终使胶体脱稳凝聚，这里改性粉煤灰起到助凝剂的作用[21]。

1.3.1在处理废水中的应用

作为吸附剂的改性粉煤灰在处理废水中的有害物质方面有较好的应用效果。以其处理废水，可去除废水中重金属离子、盐类、所含油分、复杂化合物等。彭荣华等[22]以粉煤灰为主要原料，在90℃下加入一定量的固体NaCl和硫铁矿烧渣，在硫酸废液中搅拌浸取2.5h后，在300℃下焙烧，即得到吸附性能优良的改性粉煤灰，是一种性能优良的吸附剂。并研究了改性粉煤灰对重金属离子的吸附性能，同时探讨了吸附剂改性粉煤灰吸附电镀废水中重金属离子如Cr6+，Pb2+，Cu2+，Cd2+等的适宜条件。其研究结果表明，影响改性粉煤灰对重金属离子吸附的重要因素是废水的pH值值，在室温，pH值=8.0时，电镀废水（各重金属离子含量小于50mg/L）经改性粉煤灰吸附、沉淀处理后，各重金属离子的去除率可达97.5%以上，也达到了国家排放标准。相会强等[8]用酸对粉煤灰进行改性，并用改性粉煤灰进行了去除抗生素废水中磷酸盐的试验研究，对改性粉煤灰的除磷机理进行了探讨。同时探讨了对粉

9