改性粉煤灰对金属废液吸附性能的探究

2022-11-02

1. 引言

重金属离子主要包括锌、镉、铅、镍等几十种离子，其污染性极强，尤其是对水环境的污染，因此对重金属废水的处理一直以来都是研究的热点[1]。水体中的重金属来源非常广泛，在化工、采矿等行业，含重金属的工业废水没有达到排放标准就直接排放到自然环境中，对自然水域造成严重的污染[2]。此外，垃圾处理厂、污水处理厂等含有大量重金属残留的场所，如果在没有按照标准处理的情况下排放，也会给自然水环境造成严重的污染。众所周知，重金属污染物毒性高、难降解、易积累。重金属污染物可以在水环境中长时间的停留，而且可以通过食物链一级一级往上递增累积，如此长时间下去，对人类造成的伤害和损失是不可估量的。长期微量摄入重金属，会导致人体的某些器官慢性中毒。进入人体后，重金属会与人体内的蛋白质及酶发生剧烈的反应，直到失去活性，严重危害到人们的身体健康与生活品质[3]。因此，急需找到高效的方法去除水体中的重金属离子。

粉煤灰是煤碳在燃烧过程中所产生的固体颗粒物，也是一种具有火山灰性质的混合材料，外观近似于水泥，含有二氧化硅、三氧化二铝等氧化物，以及无机碳和可溶性盐[4]。粉煤灰并不能简单的认为是一般固体废物，如果对粉煤灰的放置处理不当，也会带来严重的后果。随意填埋堆放，会导致土壤的退化，甚至引起自然排水系统堵塞;因为粉煤灰在外力的作用下极易在大气中漂浮，不但污染了大气环境，长时间的接触还可使人的呼吸道器官受损[5]。值得注意的是，虽然粉煤灰有着丰富的多孔结构，但是在形成的过程中，仍然有少量的气体残留在孔隙内，造成封闭性的堵塞，导致粉煤灰的吸附性能有所下降[5]。因此对其的改性研究一种从未间断。通过对粉煤灰进行改性，可使其变成一种优良的吸附剂材料。众所周知中国一直是全球煤炭消耗大国，煤炭消耗量占全球消耗量的一半以上，每年都会产生大量的粉煤灰，但是我国对粉煤灰的有效利用率一直不高，将粉煤灰用来处理重金属废液，实现了废弃物的资源化，达到以废治废的目的，具有良好的应用前景。

本实验将对粉煤灰进行酸液改性、碱液改性、盐改性，并对含Zn2+的金属废水进行处理，来探究改性后的粉煤灰对Zn2+的吸附性能。

2. 实验部分

(1)主要试剂材料与仪器

试剂材料：粉煤灰、锌粉、HCl、H2S04、NaOH、NaCl等，所用化学试剂均为分析纯。

主要仪器：原子吸收光谱仪、恒温干燥箱、磁力搅拌器、电子天平等。

(2)实验方法

首先对粉煤灰进行预处理，取一定量的粉煤灰，去除其中一些杂质，用去离子水洗干净后烘干研磨，密封备用。另外取0.04g锌粉，滴加盐酸至完全溶解，转移到1000mL的容量瓶中，配制成40mg/L的Zn2+溶液，以此溶液模拟金属废液。另准备好质量分数为10%的H2S04、NaOH、NaCl溶液，按照1:8的固液比进行混合，并置于磁力搅拌器反应3h，粉煤灰经过一段时间的搅拌活化后，静置5h，烘干后即可得到改性后的产物。取三个锥形瓶，分别倒入50mL的Zn2+溶液，分别加入经过上述制得的改性粉煤灰0.4g，恒温振荡2h后，测量溶液中Zn2+浓度，计算去除率，改变原始溶液的pH，重复上述步骤。

3. 结果分析与讨论

(1)不同改性剂对粉煤灰去除Zn2+性能的影响

由图1可以得知，H2S04、NaOH、NaCl三种改性剂的改性效果各不相同，其中经过硫酸改性后的粉煤灰的去除效果最好，对溶液中Zn2+的去除率达86.7%,NaCl的去除率最低。进一步分析，酸改性后的粉煤灰，其中酸与粉煤灰中的硅、铁等氧化物发生反应生成高分子络合物，使粉煤灰的外壳受到损坏，其孔道结构增多，更加通畅，为吸附过程架设桥梁，从而将悬浮颗粒吸附絮凝;而且酸与粉煤灰表面的羟基反应，因为羟基的存在会增加粉煤灰颗粒表面的极性，降低了颗粒活性，而酸可以中和部分羟基，削弱了原来层间键能，另一方面，酸也起到了除杂的作用，孔道一旦被疏通，吸附性就在一定程度上有所提高。碱改性后的粉煤灰，破坏了粉煤灰中的硅、铝氧化物的硅氧键和铝氧键，从而增加粉煤灰内部孔径筛余量，形成分子筛式的框架，增加Al和Fe活性点，对重金属的吸附能力得到提升。经过盐改性后的粉煤灰，Na+在粉煤灰孔隙中与污染物阳离子交换产生两性或单性氧化物，Cl-也可以突破粉煤灰表面的水化层，吸附性在一定程度上得到提高。

(2)溶液的pH对粉煤灰去除Zn2+性能的影响

由前面可知，经过硫酸改性后粉煤灰的吸附性能较佳，因此将选用其作为吸附剂继续进行实验。溶液pH值在吸附过程中扮演的角色非常重要，一方面pH值仅影响到吸附剂的表面电荷，另一方面还影响吸附剂和金属离子的状态和活性，进一步影响到它们的相互作用。为了考察pH值的影响，确定最佳pH值，保持其他条件不变，调整原始溶液的pH值为2-12依次递增，通过改变pH值，得到对Zn2+的去除率。由图2可以得知，在低pH值时，去除率随着pH值的升高而升高，说明低pH值的条件下，因为溶液中的H+浓度较大，占据了吸附剂的位置，与Zn2+形成了竞争吸附，造成粉煤灰对Zn2+的去除效果较差。随pH值的升高，离子交换作用增强，金属离子逐步取代粉煤灰表面H+，去除率逐渐增大，溶液pH为9的时候达到最大去除率89.6%。但是pH升高到一定程度时，导致Zn2+发生水解，从而影响了吸附反应的进行，所以去除率逐渐降低。因此最佳pH控制为8-10。

4. 总结

我们从以废治废和变废为宝的概念出发，对粉煤灰进行改性分析，由实验结果得出，经过H2S04改性的粉煤灰在pH=9的溶液中性能较佳，对金属离子的去除效果相对较好。本次实验对粉煤灰的改性研究比较单一，在后续的研究中还应该增加更多的改性方向和分析手段，本次实验只选择了Zn2+来代表金属离子，对整个重金属体系的研究还不够深入，今后的研究将会结合实际，探索工业化生产应用。

摘要：粉煤灰一直被当做工业废料，利用率不高，传统处理方法就是当做废弃物直接填埋。煤粉灰具有多孔结构，但由于在理化性质方面的欠缺，限定了应用效果及应用范围，通过对其改性可获得其良好的吸附性能，将其用于处理废液中的重金属离子，对提高粉煤灰的附加值有重要的意义。本实验以H2SO4、NaOH、NaCl为改性剂，以含Zn2+废液为处理对象。并调节溶液pH，来确定其最佳吸附条件。结果表明，经过H2SO4改性的粉煤灰吸附性能最好，其去除率达86.7%。将粉煤灰制备成一种新型的吸附剂，通过变废为宝可以取得显著的经济和环境效益。

关键词：粉煤灰,改性,吸附,Zn2+,变废为宝