CTMAB改性粉煤灰处理印染废水的实验研究

Posted 2023-01-12 印染

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用酸(硫酸+盐酸)和十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)对粉煤灰进行改性，并用改性后的粉煤灰对酸性橙模拟废水进行脱色处理。通过比较改性粉煤灰对模拟废水的处理效果，确定较优的改性方法和最佳反应条件。实验结果表明，在酸性条件下CTMAB改性粉煤灰对模拟废水的处理效果优于酸改性的粉煤灰。对于50mL酸性橙模拟废水，在CTMAB改性粉煤灰的投加量为1.2g、pH为2、温度为20～30℃、吸附时间为30min时，脱色率和COD去除率分别达到90.3%、78.5%。
印染废水是一种成分复杂、有机污染物含量高、色度深、难生物降解的废水，如果未达标排放，不仅危害人体健康还会对水体、土壤及生态系统产生严重的破坏。粉煤灰是火力发电厂排放的固体废物，是一种多孔性的松散固体集合物，其主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、MgO，其中CaO和MgO含量较少，比表面积较大，对染料大分子具有一定的吸附能力[2-3]，且价格低廉，因此在废水处理方面具有广阔的应用前景。本文对粉煤灰进行了无机及有机改性研究以提高其吸附性能，并用改性后的粉煤灰对模拟废水进行了处理，探索出了最佳的改性方法及最优化的处理条件。
1.试验部分
1.1试验仪器与药品
试验仪器：ES120—4电子天平(沈阳龙腾电子称量仪器有限公司)；7230G可见光分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)；pHS—25型pH计(上海雷磁仪器厂)；78—1型磁力加热搅拌器(杭州仪表电机厂)；202—1型电热干燥箱(黄骅市航天仪器厂)；TGL—160G台式离心机(上海安亭科学仪器厂)。试验中用到的药品有：H2SO4、HCl、K2Cr2O7、(NH4)2Fe(SO4)2、AgSO4、HgSO4、十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)，均为分析纯。酸性橙染料Ⅱ(工业品)，粉煤灰来自本地电厂。
1.2试验方案
1.2.1酸改性粉煤灰的制备
将2mol/L的HCl溶液和2mol/L的H2SO4溶液按不同体积比(1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3、1∶3.5、1∶4)混合，然后取一定量的粉煤灰加入已配制的混酸溶液中，室温下搅拌30min，过滤烘干，制得混酸改性粉煤灰。
1.2.2CTMAB改性粉煤灰的制备
配制一系列不同浓度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5g/L)的CTMAB溶液，取一定量的粉煤灰加入已配制的CTMAB溶液中，30℃下搅拌6h，过滤烘干，制得CTMAB改性粉煤灰。
1.3分析及计算方法
用分光光度法测定水样的色度，用重铬酸钾法测定水样的COD。根据处理前后水样色度及COD的变化计算去除率。
2.实验结果与讨论
2.1粉煤灰改性条件的确定
2.1.1HCl∶H2SO4的体积比对粉煤灰改性的影响
取若干份50mL200mg/L的酸性橙模拟废水放入250mL锥形瓶中，分别加入1.0g酸改性后的粉煤灰，磁力搅拌一段时间后离心分离，取其上清液测吸光度。
实验结果如图1所示，当HCl∶H2SO4(体积比，后同)=1∶3时色度去除率最大，达到70.1%。粉煤灰经硫酸和盐酸处理后，其中的铝、铁、硅均可被较好地溶出，这部分带正电荷的离子，不仅能起到中和悬浮胶粒电位的作用，还能与废水中的有机质形成高分子聚合物。随着缩聚反应的不断进行，聚合物的电荷会不断增加，最终使胶体脱稳凝聚以活性硅酸的形式从粉煤灰中溶出，对混凝过程的助凝起较大的作用。粉煤灰经酸处理后，表面变得粗糙，并产生了空洞，增加了粉煤灰颗粒的比表面积，比表面积越大吸附效果就越好，吸附能力就越强。因此，本实验选取HCl∶H2SO4=1∶3。

2.1.2CTMAB浓度对粉煤灰改性的影响
取若干份50mL200mg/L的酸性橙模拟废水放入250mL锥形瓶中，分别加入1.0gCTMAB改性的粉煤灰，磁力搅拌一段时间后离心分离，取其上清液测吸光度。
实验表明，在CTMAB的质量浓度为1.5g/L时，色度去除效果最佳，色度去除率达到87.5%(图2)是因为溶液浓度较低时，吸附能力与溶液平衡浓度成正比，随着浓度的增加吸附能力也增加，当浓度增大到一定值时，达到饱和吸附，吸附量不再随浓度的增大而增大。所以，改性用CTMAB的最佳质量浓度为1.5g/L。

2.2改性粉煤灰对酸性橙模拟废水吸附效果的影响
2.2.1粉煤灰投加量对吸附效果的影响
取若干份50mL200mg/L的酸性橙模拟废水放入200mL烧杯中，调节pH=2，然后分别加入不同用量的不同改性剂改性的粉煤灰，室温下磁力搅拌30min，然后离心分离，取上清液测其吸光度和COD，实验结果见图3、4。

实验表明，粉煤灰的投加量较低时色度和COD的去除率显著增加，且CTMAB改性粉煤灰的效果要优于酸改性。对于50mL染料废水，在粉煤灰的投加量为1.2g时，色度和COD的去除率分别达到78.5%、70%，投加量在1.2g以后增加缓慢。从经济角度考虑，粉煤灰的最佳投加量应该为1.2g。
2.2.2初始pH对吸附效果的影响
取若干份50mL200mg/L的酸性橙模拟废水放入200mL烧杯中，调节不同的pH，然后分别加入1.2g不同改性剂改性的粉煤灰，室温下磁力搅拌30min，然后离心分离，取上清液测其吸光度和COD(图5、6)。

由图5、6可知，CTMAB改性对色度和COD的去除率随pH的增大而减小，这是因为在强酸条件下粉煤灰内部封闭孔道被打开，粉煤灰的比表面积增大，使其对染料的吸附性能增强。酸改性粉煤灰对色度和COD的去除率随pH的增加而增加，这是因为pH值等于10时，粉煤灰表面吸附了大量羟基离子，与染料中的OH-，SO2-3，NH-3或COO-等发生氢键联结，增强了粉煤灰对染料分子的吸附能力。pH值继续增大，染料在水溶液中都以阴离子形式存在，一方面OH-和染料阴离子在粉煤灰表面竞争吸附，另一方面由于粉煤灰表面带有大量负电荷，产生了静电斥力，妨碍了染料阴离子吸附。综合来说，在碱性条件下，酸改性的处理效果比CTMAB改性的处理效果稍好一些，而在酸性条件下，CTMAB改性处理后的脱色率和COD去除率远远大于酸改性，所以本文采用CTMAB改性。对于CTMAB改性来说，当pH在2左右时脱色率和COD的去除率最大分别为90.3%、78.5%。因此，最佳pH值是2。
2.2.3反应时间对吸附效果的影响
取若干份50mL200mg/L的酸性橙模拟废水放入200mL烧杯中，调节pH=2，然后分别加入1.2g不同改性剂改性的粉煤灰，室温下磁力搅拌一段时间，然后离心分离，取上清液测其吸光度和COD。
实验结果表明，随着反应时间的增加，色度和COD的去除率也增加，且CTMAB改性后的处理效果要优于酸改性后的处理效果。对于CTMAB改性而言，当反应时间为30min时，色度和COD去除率达到最大为86.3%、71.6%。反应时间超过30min，脱色率和COD的去除率基本不变(图7、8)。所以反应的最佳时间是30min。

2.2.4温度对吸附效果的影响
取若干份50mL200mg/L的酸性橙模拟废水放入200mL烧杯中，调节pH=2，然后分别加入1.2g不同改性剂改性的粉煤灰，在不同的温度下磁力搅拌30min，然后离心分离，取上清液测其吸光度和COD(图9、10)。

由图9、10可知，脱色率和COD去除率随温度的增加先有少许增加然后下降，当温度为20～30℃时，脱色率和COD去除率达到最大。这是因为温度升高，粉煤灰获得吸附活化能从而增强吸附能力。吸附在给定温度下一般自发进行，因此吸附过程的吉布斯函数变△G<0，而吸附质被吸附后其自由度下降，因而吸附过程的熵变△S<0。根据热力学公式△G=△H-T△S可知，吸附过程放热。因此，温度升高又对吸附过程不利。所以反应的最佳温度是20～30℃。
3.结论
(1)粉煤灰具有很强的吸附性能，对印染废水有极好的脱色效果，对粉煤灰改性后可大大提高其对印染废水的脱色效果。
(2)用1.5g/L的CTMAB溶液改性后的粉煤灰处理酸性橙模拟废水，对于50mL模拟废水，在粉煤灰投加量为1.2g，pH为2，温度为20～30℃，反应时间为30min时是最佳反应条件。
(3)综合比较不同的改性剂改性的粉煤灰，CTMAB改性后的处理效果优于酸改性后的处理效果，实验研究表明，粉煤灰的投加量、反应时间、温度以及pH对脱色率的影响较大。