粉煤灰处理六价铬论文.doc

淮北煤炭师范学院学士毕业论文 论文题目淮北师范大学 2012届学士学位论文 利用粉煤灰处理含铬（VI）废水的试验研究学院、专业 生命科学学院 环境科学 研 究 方 向 环境科学 学 生 姓 名 孟令鑫 学 号 20081503029 指导教师姓名 王 馨 指导教师职称 讲 师 2012年5月13日IV淮北煤炭师范学院2012届学士毕业论文 利用粉煤灰处理含铬（VI）废水的试验研究利用粉煤灰处理含铬（VI）废水的试验研究孟令鑫（淮北煤炭师范学院生命科学学院）(指导教师：王馨)摘要 本试验以淮北电厂粉煤灰为样品，研究了粉煤灰对废水中Cr6+的处理效果。研究了不同的接触时间，不同质量的粉煤灰以及不同温度条件下粉煤灰对废水中铬离子的去除效果，试验结果表明粉煤灰在与废水中铬离子反应100分钟后，去除率变化微弱；粉煤灰对铬离子的吸附效果随着粉煤灰投加量的增加而增加；粉煤灰在 35条件下对含铬废水有非常好的去除效果。进一步探讨了粉煤灰去除Cr6+的机理，粉煤灰去除废水中的Cr6+ 主要是通过静电吸附、阳离子交换吸附和表面络合吸附作用。本试验的结论对粉煤灰的综合利用具有一定的参考价值。关键词 粉煤灰；含铬废水；火焰原子吸收Experimental study on fly ash treatment of waste water containing ChromiumMeng lingxin（Department of biology of Huaibei Coal Industry Teachers College）Tutored by Wang XinAbstract Using the fly ash as sample, the essay studies the effect of fly ash on Cr6+ of waste water containing chromium. Studying the removal effect on waste water containing chromium from the fly ash under different contact time, different qualities of fly ash and different contact temperature, the result shows that after the one hundred minutes reaction between fly ash and waste water containing chromium, the effect of removal cant obviously improve, while with the cast of fly ash being improved, the absorption effects of fly ash on Cr6+ of waste water containing chromium enhance. The fly ash has a high removal rate adsorption on the temperature of 35. The essay further studies the removal mechanism of fly ash on Cr6+ , which is mainly through its electrostatic adsorption, cation exchange adsorption and surface complexation adsorption. The conclusion of this essay have a certain reference value for the integrate using of fly ash.Keywords Fly Ash; Cr6+ of waste water containing chromium; Atomic Absorption.目次1引言51.1粉煤灰的定义及应用现状51.2粉煤灰吸附性及影响因素研究现状52 试验材料与方法72.1试验材料72.2 试验仪器及药品72.3试验方法72.4试验原理72.5试验过程73结果与分析83.1粉煤灰用量对铬的去除率的影响83.2吸附时间对铬的去除率的影响53.3吸附温度对铬的去除率的影响64 粉煤灰去除废水中铬离子的机理及有关性质74.1 机理74.2 物化特性与吸附特性的相关性75结论13参考文献：14致谢：15淮北煤炭师范学院2012届学士毕业论文 利用粉煤灰处理含铬废水的试验研究1引言1.1粉煤灰的定义及应用现状 粉煤灰是以煤为燃料的火力发电厂炼粉锅炉排出的废渣，是一种人工火山灰质材料。从化学组成方面分析，主要是硅质和硅铝质材料，其中的氧化硅、氧化铝及氧化铁等的含量一般在85%左右，氧化钙、氧化镁和氧化硫的含量较低,主要由晶体矿物和玻璃体组成。从粉煤灰的颗粒特性方面分析，主要由玻璃珠、多孔玻璃体及碳粒组成，其粒径在0.0010.1毫米之间，与粉质粘土和砂土相比，其粒径分布较窄，是一均质级配材料1。目前我国电力发电主要依靠煤炭的燃烧，每年排出的粉煤灰近三千万吨，大量废渣的产生不仅占用了大片土地、堵塞河道，而且产生了较为严重的环境污染问题2。因此，如何利用粉煤灰的特性，进行合理应用，是人们较为关注的问题。目前有人将其用于环境污染的治理，据研究，碱性粉煤灰可以去除废水中的重金属和氨氮、净化空气。另外，粉煤灰还被应用为特殊比表面积和具有很高阳离子交换容量的沸石产品和类沸石产品用于去除污染物3。国外研究证明，粉煤灰对铜，锌，铬等重金属离子的吸附容量（mg/L）分别为：Cu15-20,Zn7-10,Pb4-7。吴文龙等4研究了了粉煤灰处理含铜、锌、铅、铬等废水的试验，结果表明灰水比在1：10-1：50的范围内时粉煤灰对它们的去除率均在90%以上，因此可以证明粉煤灰是一种理想的重金属废水处理剂。1.2粉煤灰吸附性及影响因素研究现状吸附法处理含重金属离子废水，通常采用活性炭作为吸附剂，其具有去除率高，吸附能力强的优点，但由于其价格较高，很难大规模应用。而粉煤灰细度较小且有着较高的比表面积5，具有一定的吸附能力，在研究中发现粉煤灰经适当改性后对溶液中的铬等重金属离子具有良好的吸附性能，进而对用改性粉煤灰分别处理含重金属离子铬、铅、铜、镉废水的适宜工艺条件进行了试验研究，并将它应用到电镀废水的处理，处理后的废水达到了排放标准。粉煤灰除了能够吸附去除有害物质外，其中的一些成分还能与废水中的有害物质通过吸附絮凝沉淀协同作用使废水得到净化。另外，由于粉煤灰是多种颗粒的混合物，空隙率较大，废水通过粉煤灰时，粉煤灰也能过滤截留一部分悬浮物。但粉煤灰的混凝沉淀的过滤只是对吸附起补充作用，并不能代替吸附的主要作用。大量的国内外资料表明,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5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。如用粉煤灰处理含氟废水，在酸性条件下效果好，而处理含磷废水是在中性条件下磷的去除率最高。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6，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的影响。与活性炭相比，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7。2 试验材料与方法2.1试验材料 试验所用粉煤灰为淮北电厂的粉煤灰，其主要成分为：SiO2,MgO,CaO,C,CuO,MnO2,K2O,Na2O,P2 O5,SO2,Al2O3,Fe3O5。 试验所用模拟含铬废水为配制浓度的含铬溶液，处理前的浓度为250mg/l。2.2 试验仪器及药品 试验仪器：140目与160目标准检验筛，SYC-LB恒温回转式调速摇床，WFX-110型原子分光光度 AA Spectrophotometer，DL-1单联电炉，GZX-9240MBE 电热恒温鼓风干燥箱，JA2003型电子天平，容量瓶（100，1000，2000Ml）,试剂瓶若干个，锥形瓶，吸管，移液枪，烧杯等仪器。2.3试验方法（1）粉煤灰吸附剂的制备 将粉煤灰置于通风处风干，用140和160目标准检验筛进行筛分。（2）标准曲线的制备 铬标准溶液（甲）：称取重铬酸钾2.8288克于250毫升烧杯中，加入（1：1）硝酸20毫升，加热，溶解完全后蒸至近干，加盐酸5毫升，加30毫升水，加热使盐类溶解，冷却后移入1升容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀，此溶液每毫升含铬1毫克。铬标准溶液（乙）：准确吸取标准溶液（甲）20毫升于1升容量瓶中，加入盐酸5毫升，用水稀释至刻度，摇匀，此溶液每毫升含铬20微克。 标准系列：分别称取铬标准溶液（乙）0、20、40、60、80、100微克铬于100毫升容量瓶中，加入（1：1）盐酸4毫升，用水稀释至刻度，摇匀。用火焰原子分光光度法得到标准曲线。表1铬离子的吸光度试管号123456浓度ug/ml00.51.01.52.02.5吸光度ABS00.04530.09640.11980.18220.2272图1 铬离子标准曲线（3）模拟含铬废水的制备 将上述配置的铬标准溶液（甲）（1000mg/l）取出适量,然后稀释十倍,即成为本试验所用的模拟含铬废水（100mg/l）。2.4试验原理 粉煤灰中存在大量Al、Si等活性点，能与被吸附物质通过化学键结合，同时粉煤灰的结构多孔，比表面积较大，因此具有一定得吸附性能。除SiO2 等主要成分外，粉煤灰中还含有一定量的活性炭粒子，其组成不单纯是游离碳，而是含碳多、分子量大的有机凝聚系物，它具有多孔性结构，比表面积较大，且表面存在着许多铝、硅及大量含氧活性基因，如羟基、羧基、磺酸基等，因此，粉煤灰具有较强的吸附能力。2.5试验内容与分析方法采用火焰原子吸收分光光度计法在标准曲线上分别读出溶液中残余铬离子的浓度，去除率的计算： 式中C0：吸附前废水的Cr6+质量浓度mg/L；C1：吸附后废水的Cr6+质量浓度mg/L。 3实验结果与分析3.1粉煤灰用量对铬的去除率的影响 分别用不同质量的粉煤灰吸附剂处理40ml100mg/l的模拟含铬废水，均在室温下，恒温振荡1h，过滤，稀释100倍，测定水样中剩余铬离子的浓度。表2用量对去除率的影响不同加灰量（g）吸附前Cr6+浓度(mg/l)吸附后Cr6+浓度(mg/l)去除率(%)0.510.842015.81.010.668033.21.510.404459.62.010.348065.25.010.061093.9图2 粉煤灰用量对去除率的影响试验表明，粉煤灰对铬离子的吸附效果随着粉煤灰投加量的增加而增加，试验选择40ml的模拟含铬废水中粉煤灰的最佳用量为1.5克，下面对其进行数据分析，由公式：L吸附等温式：1/Qe=1/Q +(1/bq)(1/Ce) ；F吸附等温式:lgQe= lgk +1/n lgCe 式中，Qe为单位质量吸附剂吸附质的量mg/g ；Ce为平衡时剩余的吸附质量，Q为单位吸附剂饱和吸附量 ；b、k为常数，n为与温度有关的常数。表2-1吸附等温线回归数据温度Langmuir吸附等温式Freundlich吸附等温式QbRKnR253.1591.040.9780.1912.3380.834353.2640.6670.9970.1332.1150.933根据表2-1相关系数分析，以Langmuir吸附等温式拟合较好，因为(R0.960),这表明粉煤灰对铬的吸附，随着粉煤灰用量的增加而增加，当粉煤灰用量由0.5到5g时，去除率15.8%提升到93.9%，但从充分利用粉煤灰的角度看，并不是粉煤灰投加得越多，粉煤灰的利用效率越高，因为当粉煤灰用量到达一定时，会达到吸附饱和，继续增加用量时，过量的粉煤灰反而浪费材料，且实验效果增加不大，当考虑到后续污泥处理等问题，还是以粉煤灰较少用量为准。3.2吸附时间对铬的去除率的影响 在250ml锥形瓶中分别加入40ml100mg/l的模拟含铬废水，粉煤灰2.0g，稀释100倍，振荡时间分别为20min，60min，80min，100min，120min，将处理后的溶液过滤，稀释。用原子火焰原子吸收分光光度计法在标准曲线上分别读出溶液中残余铬离子的浓度，并计算去除率。 表2 吸附时间对铬的去除率的影响吸附时间（min）吸附前Cr6+浓度(mg/l)吸附后Cr6+浓度(mg/l)去除率（%）2010.533246.76010.265073.58010.138386.210010.071992.812010.124187.6图2 吸附时间对铬的去除率的影响下面在室温20情况下，对不同吸附时间用一下吸附等温线方程处理，判断粉煤灰吸附符合L吸附等温式还是F吸附等温式 。由图可知，粉煤灰对铬离子的吸附更符合Langmuir模型，而不是Freundlich模型，而且在一定时间范围内随着振荡时间的增加去除率开始明显增加，在延长振荡时间，去除率增加不明显，振荡时间继续延长，去除率反而下降。随着振荡时间的增加去除率开始明显增加，当振荡时间超过100分钟后，去除率反而下降。因为达到100min时，吸附已经达到平衡，时间过久，反而会出现铬离子析出，造成溶液中铬离子浓大增加，去除率因此降低。因此，试验中控制合理的吸附时间对金属离子的吸附很有必要。3.3吸附温度对铬的去除率的影响在250ml锥形瓶中分别加入40ml100mg/l的模拟含铬废水，粉煤灰2.0g，稀释100倍，振荡温度分别为25，30，35.40将处理后的溶液过滤，稀释。用原子火焰原子吸收分光光度计法在标准曲线上分别读出溶液中残余铬离子的浓度，并计算去除率。表3 吸附温度对铬去除率的影响吸附温度（）吸附前Cr6+浓度(mg/l)吸附后Cr6+浓度(mg/l)去除率（%）2510.247765.233010.291071.903510.135686.444010.105289.48图3 吸附温度对铬去除率的影响由图表可知：随着温度的增高，粉煤灰对铬离子的去除率也随之提高。当温度达到35时，粉煤灰吸附剂对含铬废水已经具有非常好的去除效果。由于吸附温度，不易控制，实验效果可能不具有一定的严密性，以后若需要对不同温度下的吸附试验进行研究，需要充分做好准备，以更为科学的仪器来控制试验试验，保证试验数据的科学性和严密性。4 粉煤灰去除废水中铬离子的机理及有关性质4.1 机理粉煤灰的成分相当复杂，主要是硅、铝氧化物，还含有少量的铁的氧化物，能与被吸附物资通过化学键结合，同时粉煤灰的比表面积较大，结构多孔，因此具有一定的吸附性能。吸附作用主要是静电吸附、阳离子交换吸附和表面络合作用三种形式。由于粉煤灰还含有CaO和其他少量碱金属氧化物及碱土金属氧化物与水反应生成碱，使溶液呈碱性。粉煤灰颗粒表面的二氧化硅在溶液呈碱性的条件下，会发生化学解离而产生可变电荷，即： H2SiO3+OH-HSiO3-+H2O HSiO3-+OH-SiO32-+ H2O另外，在碱性条件下粉煤灰颗粒表面上的OH基中的H+也可以发生解离 ，即： -OH- -O2- 晶格-OH- = 晶格-O2- +3H+ -OH- -O2-从而使颗粒表面部分带负电荷，由于颗粒表面经解离带上了负电荷，而铬离子带正电荷，因此容易被吸附在粉煤灰颗粒表面。4.2 物化特性与吸附特性的相关性(1)据大量资料9的知,在试验确定的最佳条件下,不同粒径的粉煤灰吸附处理废水溶液,(Co=30mg/l,T=25,Co:原液浓度,T:室温)主要参数见表5。表5 不同粒径粉煤灰的吸附性能粒径范围（um）比表面积/m2/g饱和吸附量(mg/g)吸附常量全级样4.350.19653.95545.43.450.29330.36426.6-45.44.080.39034.9889.4-26.66.7690.410928.7369.47.84-(2)吸附性与粒径分布,比表面积的关系粒径分布与吸附容量的关系粉煤灰的粒径越小,吸附常数和饱和吸附容量越大,对应的粉煤灰的吸附性能越好。比表面积及孔径分布与吸附特性的关系可以看出饱和吸附容量与总比表面积相关性很差。9.4-26.6um粒径与26.6-45.4um粒径相比，比表面积提高1.66倍，但吸附性能相差无几。分析认为比表面积测定是以氮气作吸附质，而实际吸附过程，粉煤灰处理不同废水中的污染物往往是大分子，粉煤灰的小裂隙与微孔内表面积和孔容未能发挥作用。因此吸附容量仅与有效吸附表面积有关，有效吸附表面积是粒径和孔径分布两者的函数。结论粉煤灰作为吸附剂，其用量，接触时间，反应温度对其吸附效果有着影响。磨细能改变粉煤灰颗粒表面性状，改善其吸附性能，从而影响其活性。但细度大并不是活性高的唯一因素，粉煤灰颗粒的玻璃体结构和表面性状是决定其活性的重要因素 。 首先，粉煤灰对金属离子的吸附效果随着粉煤灰投加量的增加而增加，但从充分利用粉煤灰的角度看，并不是粉煤灰投加得越多，粉煤灰的利用效率越高，因为当粉煤灰用量到达一定时，会达到吸附饱和，继续增加用量时，过量的粉煤灰反而浪费材料，且实验效果增加不大，当考虑到后续污泥处理等问题，还是以粉煤灰合适用量为准。用量的多少需要每次试验得之。其次，对于吸附振荡试验，时间的增加粉煤灰的吸附率开始明显增加，当振荡时间超过一定时间后，在延长振荡时间，去除率增加不明显，吸附振荡时间继续延长，去除率反而下降。因为