酸改性粉煤灰吸附除磷性能研究

攀枝花学院本科毕业论文酸改性粉煤灰吸附除磷性能研究学生姓名： 王硕 学生学号：200810903031 院（系）：生物与化学工程学院 年级专业：2008 级环境工程 指导教师： 陈孝娥 讲师 助理指导教师： 二一二年六月攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘 要摘 要我国是个产煤大国，以煤炭为电力生产基本燃料。近年来，粉煤灰的排放量急剧增加，而粉煤灰的综合利用率很低，大量的粉煤灰不仅造成堆积，占用大量土地，而且造成环境的极大破坏，粉煤灰的综合利用迫在眉睫。排入地表水体的磷酸盐是引起水体富营养化的主要因素之一，因此，废水排放时磷的含量需达到国家规定的标准。含磷废水达标排放一般进行深度处理，粉煤灰直接用来处理含磷废水效果不理想。为进一步提高粉煤灰的吸附性能，尝试用酸对粉煤灰改性。本论文对酸改性粉煤灰吸附除磷性能进行了研究，探究了磷的初始浓度，改性粉煤灰的投加量，反应时间，反应温度，焙烧温度和 PH 值对吸附效果的影响。实验结果表明：在相同的实验条件下，酸改性粉煤灰对磷的去除率都要好于未改性粉煤灰对磷的去除率。对 50mg/L 含磷废水，酸改性粉煤灰的投加量为 1.5g 时去除率为 95.62%，吸附时间 50 分钟时去除率为 95.32%，反应温度常温时去除率为 94.42%，焙烧温度 100时去除率为 94.33%，PH 中性时去除率为 92.18%。关键词 酸改性，粉煤灰，吸附，含磷废水攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTChina was a large coal-producing country, the basic fuel of coal for electricity production. In recent years, fly ash emissions sharply increased, and the comprehensive utilization of fly ash was very low, and a lot of fly ash not only caused by the accumulation ,and a lot of land been take up, and caused great damage to the environment, so comprehensive utilization of fly ash became imminent. Discharged into surface water bodies, phosphate was one of the main factors that caused eutrophication, therefore, the content of phosphorus in the wastewater discharge needed to reach the state standards. Phosphorus wastewater discharge standards generally depth treatment of fly ash directly to deal with the phosphorus-containing waste water the result was not ideal. To further enhance the adsorption properties of fly ash, we tried to modify fly ash with acid.In this thesis, discussed the removal of acid-modified fly ash adsorb phosphorus , explored the effect of the phosphorus concentration of the initial dosage of modified fly ash, mixing time, reaction temperature, calcination temperature and PH of the adsorption . experimental results show that: on the same experimental conditions, the acid-modified fly ash on the removal rate of phosphorus should be better than the unmodified fly ash on the removal rate of phosphorus. The 50mg/L phosphorous-containing wastewater , acid modified fly ash dosage was 1.5g when removal rate was 95.62% , the adsorption time of 50 minutes during removal rate was 95.32% , reaction temperature was room temperature when removal rate was 94.42% , the roasting temperature 100 centigrade removal rate was 94.33%. PH was neutral when the removal rate was 92.18% .Key words acid modification, fly ash, adsorption, phosphorus-containing wastewater攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目录目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 粉煤灰的组成 .11.1.1 粉煤灰的化学组成 .11.1.2 粉煤灰的矿物组成 .11.2 粉煤灰的特性 .11.2.1 粉煤灰的物理性质 .11.2.2 粉煤灰的化学性质 .21.3 粉煤灰的危害 .21.4 粉煤灰吸附性能的影响因素 .31.5 粉煤灰的改性及其应用 .31.5.1 湿法改性粉煤灰的应用 .3 1.5.2 干法改性粉煤灰的应用 .6 1.6 本课题的研究内容及意义 .72 实验部分 .72.1 实验仪器及材料 .82.1.1 主要仪器及设备 .82.1.2 实验药品 .82.2 酸改性粉煤灰的制备 .82.3 模拟废水的制备 .92.4 酸改性粉煤灰吸附性能的评价 .92.4.1 评价指标 .92.4.2 正磷酸盐的分析测定 .93 结果与讨论 .113.1 改性粉煤灰的选择 .113.1.1 改性酸种类的确定 .113.1.2 改性酸浓度的确定 .113.2 硫酸改性粉煤灰除磷效果的研究 .123.2.1 初始浓度对酸改性粉煤灰吸附效果的影响 .123.2.2 酸改性粉煤灰投加量对吸附效果的影响 .13攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目录3.2.3 反应时间对酸改性粉煤灰吸附效果的影响 .143.2.4 反应温度对酸改性粉煤灰吸附效果的影响 .153.2.5 焙烧温度对酸改性粉煤灰吸附效果的影响 .163.2.6 PH 值对酸改性粉煤灰吸附效果的影响 .174 结论 .19参 考 文 献 .20致 谢 .22攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论11 绪论粉煤灰是燃烧发电厂与锅炉等燃烧排放的一种废弃物。统计资料显示 1，我国能源目前构成以煤炭为主，粉煤灰的年排放量达到210 8吨，且逐年递增。尽管粉煤灰已经在建筑、交通、土壤改良等方面得到综合利用，但总利用率约为30% ，仍有大量的需要开发再利用 2，粉煤灰的处理和利用得到人们的广泛关注。1.1 粉煤灰的组成1.1.1 粉煤灰的化学组成我国粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al 2O3、 Fe2O3、CaO、TiO 2、MgO、K 2O、Na 2O、SO 3、MnO 2 等，此外还有 P2O5 等。其中氧化硅、氧化钛来自黏土，岩页；氧化铁主要来自黄铁矿；氧化镁和氧化钙来自与其相应的碳酸盐和硫酸盐。粉煤灰的元素组成（质量分数）为：O 47.83，Si 11.431.14，Al 6.4022.91，Fe 1.9018.51，Ca 0.3025.10，K 0.223.10，Mg 0.051.92，Ti 0.41.8，S 0.034.75，Na 0.051.40，P 0.000.90，Cl 0.000.12，其他0.5029.12。1.1.2 粉 煤 灰 的 矿 物 组 成粉煤灰的矿物组成中非晶体物质主要为玻璃体，晶体所占的比例一般在1148之间。主要晶体相物质为莫来石、石英、赤铁矿、磁铁矿、铝酸三钙、黄长石、默硅镁钙石、方镁石、石灰等。从物相上讲，粉煤灰是晶体矿物和非晶体矿物的混合物。其矿物组成的波动范围较大。非晶体矿物为玻璃体、无定型碳和次生褐铁矿，其中玻璃体含量占50以上。1.2 粉煤灰的特性1.2.1 粉煤灰的物理性质粉煤灰的物理性质包括密度、堆积密度、细度、比表面积、需水量等，这些性质是化学成分及矿物质组成的宏观反映。由于粉煤灰的组成波动范围很大，这就决定了其物理性质的差异很大。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论2表 1.1 粉煤灰的物理性质粉煤灰的基本物理特性 项目范围均值密度（g/cm 3） 1.92.9堆积密度（g/cm 3） 0.5311.26比表面积（cm 2/g） 氮吸附法透气法8001950011806530原灰标准稠度 27.366.7需水量 8913028d 抗压强度比 3785粉煤灰的物理性质中，细度和粒度是比较重要的项目。它直接影响着粉煤灰的其他性质，粉煤灰越细，细粉占的比重越大，其活性也越大。粉煤灰的细度影响早期水化反应，而化学成分影响后期的反应。1.2.2 粉煤灰的化学性质粉煤灰是一种人工火山灰质混合材料，它本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时，能在常温，特别是在水热处理（蒸气养护）条件下，与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。1.3 粉煤灰的危害随着科学技术的发展及人类生活水平的提高，人们对生存环境的质量要求不断提高，对粉煤灰产生的环境影响日益重视。粉煤灰粉末，有10的粒径小于5um。同时人类对电力资源的需求增加，火力发电也逐渐增多，因此粉煤灰的产量也不断增加，由于粉煤灰被视为有毒有害的固体废弃物，一旦处理不好，就可能造成以下等多方面的影响：占用土地我国每年用6亿吨的煤用于发电，排放的粉煤灰为1.8亿吨，严重的威胁着生存环境。对粉煤灰的处理，目前我国电厂以灰场贮灰为主要堆存手段。据统计，每万吨粉煤灰渣需堆场45亩。这样造成了大量土地资源的浪费。污染水体粉煤灰中的有害成分溶解到水中，严重污染地表水和地下水。填埋或者堆积的的粉煤灰其有害组分很容易浸出土壤、污染土壤及地下水，导致水质硬度增加，不但破坏土壤和水体的生态平衡，浪费了大量的水资源的同时威胁到了人类的生存。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论3污染大气大部分粉煤灰粒径较小，其漂浮在大气内，风吹后极易产生扬尘。在我国大多数城市，粉煤灰是悬浮颗粒物的主要来源，造成区域性空气污染，一旦人类吸入，将会危害人体健康。放射性危害粉煤灰因为含有铀、钾和钍，所以其具有放射性。由于它们属非挥发性元素，在煤的燃烧过程中会进行富集，这些金属物质物质进入周围空气或渗入地下被人体吸入，会沉积于人的呼吸系统造成对人体的危害。1.4 粉煤灰吸附性能的影响因素影响粉煤灰吸附性能的主要因素有：（1）温度国内外研究表明，温度越低，粉煤灰对废水中有害物质去除率越高，升高温度不利于吸附。刘国光等 3发现，温度越低，越有利于粉煤灰对印染废水的处理。（2）溶液 PH 值PH 值直接影响处理效果，但 PH 值的影响结果与吸附质的性质有关。粉煤灰处理含磷废水时 PH 一般在中性的情况下处理效果最好。（3）粉煤灰的物理化学性质粉煤灰的粒径，比表面积，化学组成对其处理效果有着直接的影响。一般地，比表面积大，含活性氧化铝，氧化硅及未燃尽碳高，去除效果好.也有将粉煤灰活化以提高其吸附性能的研究报道 4，但活化成本较高，使其在工业应用中受到了很大限制。 （4）吸附质的性质 作为吸附质的污染物，其溶解度，分子极性以及分子量都对吸附有一定影响。与活性炭相似，粉煤灰对分子量大的污染物吸附效果较好，因为分子量大分子间引力强，物理吸附更易进行。因此，粉煤灰对造纸等以大分子污染物为主的废水表现出较好的吸附性能 5。1.5 粉煤灰的改性及其应用1.5.1 湿法改性粉煤灰的应用湿法改性中，最常用的是以盐酸、硫酸或氢氧化钠为改性剂。因此，有专家将湿法分为酸法与碱法 6。尽管粉煤灰利用酸法或者碱法改性之后，提高了攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论4其吸附能力，但在研究和应用中发现改性后粉煤灰吸附性能的提高，不但和浸出剂的物质组成及浓度有关，也和和粉煤灰的来源有关等有关。于是，又有学者尝试用CaO、Na 2CO3以及有机物甚至普通无机盐作改性剂，这不仅促进改性粉煤灰在水处理中应用的广泛性及高效性，也丰富了粉煤灰改性手段与方法。（1）酸法改性的粉煤灰的应用取钢铁厂的盐酸废液，相会强等 7对发电厂粉煤灰进行改性，发现改性后的粉煤灰对抗生素废水中的磷酸盐具有很好的去除效果，去除率为98.82%99.59% ,出水排放均达标，其效果明显优于改性前的。杨林锋等 8利用硫酸、盐酸、硫酸加盐酸的混合液等为改性剂，对电厂粉煤灰进行改性，发现与改性前相比，硫酸加盐酸改性粉煤灰的除磷效果最好。王金梅等 9将硫酸、氯化钠及H 2O2配制成等浓度的溶液，常温下搅拌对粉煤灰进行改性。用改性后的粉煤灰处理染料废水，评价标准为化学需氧量COD，结果表明改性后均有一定的处理效果。但处理效果并不相同，处理效果最不理想的为硫酸改性粉煤灰，处理效果中等水平的为氯化钙、食盐，而H 2O2改性粉煤灰处理废水去除效果最好。宣晓梅等 10将锅炉燃烧后的干粉煤灰加入到硫酸和盐酸等浓度等体积混合酸中，搅拌一定时间后，将滤出的粉煤灰烘干，然后利用改性后的粉煤灰处理实验室废液，结果发现：与未改性的相比，改性后的粉煤灰的吸附率不高。由此可知酸性改性并不是随时都有效。王晨等 11用酸化后的粉煤灰对造纸污水脱色，结果表明每升造纸污水用质量35g、细度在150350mg的粉煤灰，处理30min ，污水脱色率大于96% 。王春峰 12研究活化粉煤灰吸附材料对造纸废水中COD的吸附性能，发现在400灼烧 25min、浓度75% 的硫酸活化的粉煤灰吸附效果最佳。于晓彩等 13采用以n(盐酸):n(硫酸)改性的粉煤灰处理废水（含有非离子表面活性剂）,发现n(盐酸):n(硫酸)=l：1处理效果较优。相会强 14也用酸改性的粉煤法改性，结果改性后的粉煤灰色度的去除效率提高，这里面2mol/L硫酸处理改性的效果最好，之后又探究了不同方法改性的粉煤灰对磷酸盐的去除效果，也是2mol/L硫酸处理改性的效果最好 15。Wang等 16用硝酸溶液或者高温处理对粉煤灰进行改性，通过实验探究了它们对亚甲蓝的去除效果，发现经过硝酸处理后粉煤灰吸附容量由原来的1.410 -5mol/g升至2.410 -5mol/g。盂文芳等 17探究出，经酸处理后的粉煤灰产生大量的Al 3+和Fe 3+，能有效地降低水中悬浮颗粒的电位，使悬浮颗粒脱稳，经酸处理后的粉煤灰中含有Al2(SO4)3、FeCl 3及H 2SiO4等,这些物质中，特别是硅酸凝胶的存在，能够捕捉攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论5悬浮颗粒，起到混凝吸附架桥作用。另外，改性粉煤灰中的水解物质水解时能形成许多复杂的络合物，这些物质发生缩聚反应，更有利于吸附较大的悬浮体。当停止搅拌时，这些悬浮体由于容重较大会迅速沉降，从而提高处理效率。（2）碱法改性的粉煤灰的应用Woolard等 18用热NaOH 溶液对粉煤灰进行改性，改性粉煤灰的阳离子交换容量较原粉煤灰有很大的提高。与原粉煤灰相比，改性粉煤灰对含磷废水吸附量提高了10倍。Mimura19研究粉煤灰经过碱浸泡后，其最大吸附能力可以达到3.34mmol/g，是人造沸石和天然发光沸石的23倍。于晓彩等 20分别用NaOH 、CaO、Ca(OH) 2与Na 2CO3对某