郭亞文，孫秀君，劉艷娟

（1．上海楊浦區(qū)大橋街道綠化和市容管理所，上海200092；2．唐山學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山063000）

粉煤灰是由火力發(fā)電廠燃煤鍋爐排放出的一種可對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染的工業(yè)固體廢棄物，但是，在粉煤灰中富含以活性氧化物SiO2和Al2O3為主的玻璃微珠，并且表面呈多孔結(jié)構(gòu)，比表面積較大，因此具有很強(qiáng)的物理和化學(xué)吸附性能。研究表明，粉煤灰應(yīng)用在廢水處理領(lǐng)域取得了可喜進(jìn)展，成為取代活性炭等吸附材料處理生活污水、工業(yè)廢水的新型材料［1－5］。粉煤灰處理廢水均需經(jīng)過(guò)一定的改性活化處理才能提高吸附效率［6－7］，現(xiàn)有的改性手段主要包括熱改性、酸改性、堿改性、鹽改性、混合改性等［8－11］。如果能綜合利用改性手段改進(jìn)粉煤灰吸附性能，就可以極大地提高它在廢水處理方面的廣度和深度。

含油廢水中主要污染物質(zhì)為油類，包括漂浮油、乳化油、和分散油，其中乳化油由于乳化液分子在油－水界面上定向吸附形成堅(jiān)固的界面膜，難以聚集在一起而穩(wěn)定存在于水中。對(duì)于這種含乳化油廢水，破乳絮凝是水處理的關(guān)鍵技術(shù)［12－13］。

本研究先對(duì)粉煤灰進(jìn)行活化處理，然后利用其天然的吸附性能對(duì)含油廢水中的乳化油進(jìn)行吸附混凝，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)和單因素分析相結(jié)合的方法得出粉煤灰最佳活化條件及混凝的最佳條件。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)原理

1.1 廢水的來(lái)源與水質(zhì)

原水選取唐山市某齒輪廠含油廢水，主要包括切削液、乳化液、齒輪油等石油類有機(jī)污染物以及懸浮性顆粒物等，油滴主要以乳化態(tài)和溶解態(tài)存在。水質(zhì)分析如表1所示。

表1 原水水質(zhì)

1.2 粉煤灰的來(lái)源與特點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)所用粉煤灰原材料為唐山某電廠粉煤灰，其化學(xué)成分（質(zhì)量分量）見(jiàn)表2。

表2 唐山某電廠粉煤灰化學(xué)成分 %

掃描電鏡分析（圖1）顯示，粉煤灰中除含有大量呈針狀或棒狀形態(tài)的莫來(lái)石晶體外，還含有較多的呈球形的鋁硅酸鹽玻璃體。

圖1 粉煤灰的SEM照片

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

粉煤灰處理廢水的作用機(jī)理有吸附機(jī)理（物理吸附、化學(xué)吸附、離子交換吸附）、凝聚機(jī)理（污染物通過(guò)與粉煤灰發(fā)生接觸凝聚而被去除）、沉淀機(jī)理（污染物由于沉降作用）和過(guò)濾機(jī)理（污染物通過(guò)粉煤灰濾層時(shí)被過(guò)濾載留去除）。其中占主導(dǎo)地位的是吸附作用，但直接用粉煤灰處理廢水的吸附效率不高［9－10］，必須通過(guò)改性才能提高其對(duì)水處理的效率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰活化實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用了熱改性、酸改性以及鹽改性等幾種改性手段對(duì)粉煤灰進(jìn)行活化改性處理，因此以粉煤灰活性溫度、Na2CO3和H2SO4為主要影響因素，分別選取三個(gè)水平，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)采用L9（33）正交表確定最佳活化條件。

實(shí)驗(yàn)方法：將經(jīng)200目篩后的50g粉煤灰樣品，加入一定量的Na2CO3固體放入馬弗爐中煅燒至預(yù)定溫度，恒溫90 min后取出冷卻至室溫，加入一定濃度的100mL H2SO4進(jìn)行活化，充分混合攪拌30min左右，在100℃水浴鍋中水浴加熱2h，待充分反應(yīng)后，過(guò)濾洗滌，洗至濾液的pH為2～3，于100℃烘箱中烘干，如果有結(jié)塊的現(xiàn)象應(yīng)研磨至200目。因素水平表和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表3，表4所示。

由極差分析和均值分析可以得出，影響粉煤灰吸附性能的因素主次順序依次為BCA，最優(yōu)方案為A2B2C2，因此，粉煤灰最佳活化條件為焙燒溫度為300℃，Na2CO3加入量為20g，硫酸濃度為70%。

表3 影響粉煤灰吸附性能的因素水平表

表4 粉煤灰影響因素正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.2 影響粉煤灰混凝吸附特性的單因素分析實(shí)驗(yàn)

影響混凝吸附效果的因素比較復(fù)雜，主要有水溫、水質(zhì)和水利條件等，本實(shí)驗(yàn)以最佳條件活化的粉煤灰吸附材料對(duì)廢水中的COD進(jìn)行去除，對(duì)影響混凝吸附效果的廢水溫度、pH值、慢速攪拌時(shí)間以及活化粉煤灰的用量進(jìn)行單因素分析，得出最佳混凝吸附條件。

2.2.1 溫度對(duì)粉煤灰吸附性能的影響

取6份500mL廢水水樣分別置于1 000mL燒杯中，調(diào)節(jié)各水樣的水溫至10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，35℃，分別加入50g活化粉煤灰，快速攪拌（200r／min）1min，慢速攪拌（50r／min）8min，靜置30min，取液面下2cm 處水樣測(cè)其COD。結(jié)果如圖2所示。由于吸附的過(guò)程是一個(gè)放熱的過(guò)程，水溫太高時(shí)粉煤灰發(fā)生解析，不利于吸附的進(jìn)行；而溫度偏低時(shí)粉煤灰活性較低，也不利于對(duì)COD的去除，所以，自然條件下用活化粉煤灰對(duì)廢水中COD進(jìn)行吸附處理時(shí)在20～25℃時(shí)效果最好。

2.2．2 pH值對(duì)粉煤灰吸附性能的影響

取6份500mL廢水水樣分別置于1 000mL燒杯中，水溫為室溫25℃，用HCl和NaOH調(diào)節(jié)廢水的pH值分別為4，6，7，8，9，11，分別加入50g活化粉煤灰，快速攪速攪拌（200r／min）1min，慢速攪拌（50r／min）8min，靜置30min，取液面下2cm處水樣測(cè)其COD。結(jié)果如圖3所示。

圖2 廢水溫度對(duì)粉煤灰吸附性能的影響

圖3 廢水pH對(duì)粉煤灰吸附性能的影響

圖3表明pH值對(duì)COD去除率的影響較大。在酸性環(huán)境中，粉煤灰對(duì)COD的吸附能力較低，隨著pH值的增大，去除率力逐漸增強(qiáng)，到pH值為7（中性附近）時(shí)達(dá)到最大；中性和弱堿性環(huán)境中，隨pH值的增大，粉煤灰對(duì)廢水中COD的去除率仍較高，但當(dāng)廢水的pH值高于9趨于強(qiáng)堿性環(huán)境時(shí)，粉煤灰的吸附能力明顯下降。這是由于在堿性條件下，粉煤灰表面富集大量負(fù)電荷，會(huì)增強(qiáng)粉煤灰吸附能力，但強(qiáng)堿性環(huán)境中大量的OH－也會(huì)降低粉煤灰活性。而粉煤灰中的活性成分主要是一些堿性氧化物，在強(qiáng)酸性環(huán)境中，廢水中的H＋會(huì)使這些堿性氧化物失活，從而使粉煤灰的吸附能力顯著降低。

2.2.3 攪拌時(shí)間對(duì)粉煤灰吸附性能的影響

取6份500mL廢水水樣分別置于1 000mL燒杯中，水溫為室溫25℃，pH為7．2，分別加入50g活化粉煤灰，快速攪速攪拌（200r／min）1min，慢速攪拌（50r／min）依次為2 min，4min，6min，8min，10min，12min，靜置30min，取液面下2cm處水樣測(cè)其COD。結(jié)果如圖4所示。

圖4 攪拌時(shí)間對(duì)粉煤灰吸附性能的影響

吸附是一個(gè)平衡進(jìn)行的過(guò)程，為了使粉煤灰吸附材料的吸附性能達(dá)到最好的效果，吸附物質(zhì)必須與吸附劑之間有充分的接觸時(shí)間。由圖4可以看出，隨著攪拌時(shí)間的增加粉煤灰吸附能力增強(qiáng)，對(duì)COD的去除率有所增加，在攪拌時(shí)間為10min時(shí)達(dá)到最大值50．1%，但攪拌時(shí)間繼續(xù)增加卻不能提高吸附能力，所以確定活化粉煤灰對(duì)COD去除的最佳攪拌時(shí)間是10min。

2.2.4 活化粉煤灰的加入量對(duì)混凝吸附性能的影響

取6份500mL廢水水樣分別置于1 000mL燒杯中，水溫為室溫25℃，pH 為7．2，分別加入10g，20g，30g，40g，50g，60g活化粉煤灰，快速攪拌（200r／min）1min，慢速攪拌（50r／min）10min，靜置30min，取液面下2cm 處水樣測(cè)其COD。結(jié)果如圖5所示。

圖5 活化粉煤灰加入量對(duì)混凝吸附性能的影響

圖5表明隨著粉煤灰活性吸附材料用量的增加，粉煤灰對(duì)含油廢水中的COD去除率逐漸增大，當(dāng)粉煤灰的用量增加到50g以上時(shí)，廢水中的COD去除率又有所下降，所以最適合的投加量為50g／500mL含油廢水。

2.3 活化粉煤灰的吸附效果與活性炭對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了很好地了解粉煤灰吸附材料的實(shí)用價(jià)值，本實(shí)驗(yàn)在相同條件下采用等量粉煤灰和活性碳分別處理唐山某齒輪廠的含油廢水，對(duì)COD的去除效果見(jiàn)表5。

表5 粉煤灰吸附材料和活性碳處理效果比較

由表5可知：粉煤灰吸附材料對(duì)廢水中COD的去除率為68．59%，去除率與活性炭相當(dāng)，并且不用考慮再生問(wèn)題，既節(jié)約了成本又實(shí)現(xiàn)了“以廢治廢”的目的，因此，應(yīng)用活化粉煤灰處理含油廢水具有較好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定了粉煤灰的活化改性條件：焙燒溫度為300℃，Na2CO3加入量為20g，硫酸濃度為70%。

（2）粉煤灰對(duì)含油廢水的吸附效果受廢水溫度、pH值、攪拌時(shí)間、投加量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰吸附含油廢水的最佳條件為：溫度為20～25℃，PH值近中性，慢速攪拌時(shí)間10min，粉煤灰投加量為50g／500mL時(shí)，含油廢水的COD去除率可以達(dá)到68．59%，吸附效果較為顯著，實(shí)現(xiàn)了“以廢治廢”的目的。

（3）粉煤灰吸附材料在處理含油廢水時(shí)可以在一定范圍內(nèi)取代活性炭。

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