粉煤灰吸附染料廢水的處理方法

1、摘 要目前，粉煤灰吸附處理染料廢水的研究已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。用粉煤灰處理染料廢水既能降低色度又能去除COD。本實(shí)驗(yàn)采用高溫活化改性粉煤灰吸附處理堿性品紅染料廢水。實(shí)驗(yàn)研究了改性粉煤灰的投加量、攪拌速度、反應(yīng)時(shí)間、溫度測定了35溫度下的吸附等溫線，并對吸附動力學(xué)和熱力學(xué)模式進(jìn)行了探討。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最佳活化溫度為350,粉煤灰的最佳投加量為800mg；最佳攪拌速度值為250r/min吸附反映的平衡時(shí)間約為30min,堿性品紅的去除率達(dá)到98%；升溫有利于吸附。粉煤灰對水中堿性品紅的吸附規(guī)律可用Langmuir吸附等溫式較好地描述。吸附動力學(xué)能用Bangham和Langmuir模式擬合，且吸附速

2、度由內(nèi)擴(kuò)散過程控制。關(guān)鍵字：粉煤灰；吸附；堿性品紅；動力學(xué)；熱力學(xué)第一章 緒論11.1 粉煤灰吸附處理廢水技術(shù)11.1.2 粉煤灰的概況11.1.2 粉煤灰吸附處理染料廢水的機(jī)理21.1.3 粉煤灰吸附處理染料廢水的優(yōu)點(diǎn)及其影響因素31.1.4 粉煤灰吸附處理染料廢水技術(shù)的現(xiàn)狀31.1.5 粉煤灰吸附處理染料廢水技術(shù)的展望41.2 粉煤灰的改性與應(yīng)用51.2.1 粉煤灰的改性51.2.2 改性粉煤灰在處理染料廢水上的應(yīng)用61.3 染料和染料廢水概述61.4 本課題主要研究目的、研究內(nèi)容和研究意義71.4.1 研究目的及意義71.4.2 研究內(nèi)容7第二章 實(shí)驗(yàn)部分92.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器92.2

3、 實(shí)驗(yàn)方法92.2.1 最佳波長的確定及標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制92.2.2 改性灰最佳活化溫度的確定92.2.3 粉煤灰吸附堿性品紅最佳條件的確定102.2.4 改性粉煤灰吸附堿性品紅最佳條件的確定102.2.5 正交實(shí)驗(yàn)112.2.5 吸附動力學(xué)11第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論123.1 最佳波長的確定及標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制123.1.1 最佳波長的確定123.1.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制123.2 改性粉煤灰最佳活化溫度的確定133.3 粉煤灰吸附處理堿性品紅最佳條件的確定143.3.1 最佳粉煤灰投加量的確定143.3.2 反應(yīng)時(shí)間對處理效果的影響153.3.3 攪拌速度對處理效果的影響163.3.4 反應(yīng)溫度對

4、處理效果的影響173.4 改性粉煤灰吸附處理堿性品紅最佳條件的確定183.4.1 最佳粉煤灰投加量的確定183.4.2 反應(yīng)時(shí)間對處理效果的影響193.4.3 攪拌速度對處理效果的影響203.4.4 反應(yīng)溫度對處理效果的影響203.5 正交試驗(yàn)213.6 吸附熱力學(xué)233.6.1 吸附等溫線的測定233.6.2 等溫線吸附規(guī)律的數(shù)學(xué)模擬243.7 吸附動力學(xué)253.7.1 吸附速率常數(shù)的求取253.7.2 吸附速度控制步驟研究26結(jié)論28參考文獻(xiàn)29致謝30第一章 緒 論1.1 粉煤灰吸附處理廢水技術(shù)粉煤灰是煤炭燃燒后的廢棄物，其主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁和氧化鐵等，各種無機(jī)氧化物的含量因

5、煤種和燃燒條件不同而異，但變化不大。粉煤灰具有發(fā)達(dá)的大孔，對染料分子具有一定的吸附能力。粉煤灰富含以活性氧化物SiO2 和AI203為主的玻璃珠，少量金屬氧化物及未燃盡炭，比表面積較大，表面能高，對廢水中許多污染物質(zhì)，尤其是有機(jī)物具有較強(qiáng)的吸附和絮凝共沉作用1。目前，在廢水處理中，現(xiàn)有的吸附材料價(jià)格昂貴、操作繁雜，限制了吸附材料在廢水處理中的廣泛應(yīng)用。粉煤灰對印染廢水中有色物質(zhì)的吸附是固體在溶液中的吸附,其吸附劑、溶質(zhì)、溶劑三者極性不同對吸附量是有影響的。一般非極性的吸附劑易于吸附非極性強(qiáng)的物質(zhì)。粉煤灰屬非極性吸附劑，而印染廢水中引起色度的物質(zhì)，大多數(shù)為極性較差的有機(jī)物，易被吸附劑吸附。因此，

6、粉煤灰能較好地吸附廢水中的有色物質(zhì)，具有較好的脫色效果,利用粉煤灰處理廢水不僅成本低，節(jié)約資源，而且還能達(dá)到以廢治廢的目的。1.1.2 粉煤灰的概況粉煤灰是煤粉經(jīng)高溫燃燒后形成的一種似火山灰質(zhì)的混合材料。早在1914年，美國Anon就發(fā)表了煤灰火山灰特性的研究，他首先發(fā)現(xiàn)粉煤灰中的氧化物具有火山灰的特性2。粉煤灰主要是燃煤電廠、冶煉、化工等行業(yè)排放的固體廢物。燃煤電廠將煤磨成300um以下的煤粉，用預(yù)熱空氣噴入爐膛懸浮燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)收塵裝置捕集而得到粉煤灰(或稱飛灰)。少數(shù)煤粉燃燒時(shí)因碰撞而戮結(jié)成塊沉積于爐底成為底灰。粉煤灰的理化性質(zhì)主要是：(1)在光學(xué)顯微鏡下觀察，粉煤灰含玻璃球體物

7、50%-80%(在爐溫1200-1450時(shí)，煙煤燃燒后的粉煤灰中含有玻璃球體，而無煙煤粉煤灰中未發(fā)現(xiàn))，磁性氧化鐵(Fe3O4)6%-16%，碳粒子3%-4%，石英3%-20%，莫來石5%-30%. (2)大部分粉煤灰所含的化學(xué)成分主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O、CaO、FeS，個別煤種的粉煤灰中還含有少量鍺、鍋、汞、鉻、釩、砷、鉛、磷、錳、硼、鈾等。其物理化學(xué)特性取決于煤種、制粉系統(tǒng)、鍋爐爐型、除塵器類型、除塵方式、運(yùn)行工況等多種因素，所以，不同電廠的粉煤灰性質(zhì)差異很大。如表1-1所示。粉煤灰的綜合利用價(jià)值取決于其品質(zhì)。粉煤灰中活性氧化鋁和活性二氧化硅的含量

8、越高，其活性就越高，品質(zhì)也越好；CaO有利于提高粉煤灰的活性;而三氧化二鐵能起溶劑的作用，促使玻璃體形成，有助于提高粉煤灰的活性。粉煤灰由結(jié)晶體、玻璃體和少量未燃炭組成，鋁硅玻璃體(氧化硅與氧化鋁總質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于60%)是粉煤灰的主要成分，也是決定粉煤灰活性的主要因素。在相同條件下，玻璃體含量越高，粉煤灰的活性就越高。另外，玻璃體的形態(tài)、顆粒大小及表面狀況與粉煤灰的品質(zhì)也有密切關(guān)系。并且未燃盡炭也致使粉煤灰的品質(zhì)下降。表1-1 部分火力發(fā)電廠粉煤灰化學(xué)成分（%）Table 1-1 part of power plant fly ash chemical composition (%)廠名Si02

9、Al203Fe203Ca0SO3燒失量南昌七里街電廠49.3821.6410.262.761.407.91北京石景山電廠50.9232.126.553.721.206.20江蘇望亭電廠59.4229.065.405.96-4.00南京下關(guān)電廠49.2820.713.312.080.7012.32武漢青山電廠55.9425.926.153.540.366.12太原二熱電廠44.7430.613.832.200.4614.74廣州西村電廠60.1230.914.412.640.182.29湖南株洲電廠44.3515.163.521.530.8226.12鞍鋼自備電廠57.8017.229.555.

10、47-4.96陜西壩橋電廠44.7330.4410.514.610.874.80富拉爾基電廠54.1916.498.425.94-5.00唐山陡河電廠48.5936.103.014.42-6.811.1.2 粉煤灰吸附處理染料廢水的機(jī)理吸附性能從粉煤灰的理化性質(zhì)看，粉煤灰處理廢水的機(jī)理主要是吸附。粉煤灰具有多孔性結(jié)構(gòu)(以大孔為主)、比表面積較大、表面能高，且表面存在著許多鋁、硅等物質(zhì)，具有較強(qiáng)的物理吸附和化學(xué)吸附能力2。物理吸附效果取決于粉煤灰的多孔性及比表面積，比表面積越大，吸附效果越好，未燃炭粒對物理吸附產(chǎn)生重要影響?；瘜W(xué)吸附主要是其表面具有大量Si、Al等活性點(diǎn)，能與吸附質(zhì)通過化學(xué)鍵結(jié)合

11、。在酸性條件下，陰離子可與粉煤灰中帶正電的硅酸鋁、硅酸鈣和硅酸鐵之間形成離子交換或離子對的吸附。粉煤灰中的SiO2、Al2Si04、NaAlSi04與金屬陽離子也可發(fā)生離子交換。粉煤灰顆粒表面的硅醇基及硅醚基有較強(qiáng)極性的偶極矩，對多環(huán)芳烴、氰化物有良好的去除能力。由于粉煤灰是多種顆粒的混合物，孔隙率較大，廢水通過粉煤灰時(shí)，粉煤灰也能過濾截留一部分懸浮物,但粉煤灰的混凝沉淀和過濾只對吸附起補(bǔ)充作用,并不能替代吸附的主導(dǎo)地位。國內(nèi)外研究表明，粉煤灰對水中吸附質(zhì)的吸附包括3個連續(xù)的過程：第一為顆粒的外部擴(kuò)散(膜擴(kuò)散)過程；第二為孔隙擴(kuò)散過程，即擴(kuò)散到吸附劑表面的吸附質(zhì)向空洞的深處擴(kuò)散；第三為吸附反應(yīng)

12、過程，吸附質(zhì)被吸附在顆粒的內(nèi)表面上3。國內(nèi)外資料表明：溫度越低，粉煤灰對廢水中污染物去除率越高，升高溫度不利于吸附；pH值的影響結(jié)果與吸附質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)4。如用粉煤灰處理含氟廢水，在酸性條件下效果好，而處理含磷廢水在中性條件下磷的去除率最高；粉煤灰的粒徑、比表面積、化學(xué)組成對其處理效果有著直接影響。一般比表面積大，含活性氧化鋁、氧化硅及未燃盡炭高，污染物去除效果好；吸附質(zhì)的溶解度、分子極性及分子量都對吸附有一定影響。與活性炭相似，粉煤灰對分子量大的污染物吸附效果較好，因?yàn)榉肿恿看蠓肿娱g引力強(qiáng)，物理吸附更易進(jìn)行。因此，粉煤灰對以大分子污染物為主的廢水表現(xiàn)出較好的吸附性能。1.1.3 粉煤灰吸附處理

13、染料廢水的優(yōu)點(diǎn)及其影響因素（1）比表面積較大，表面能高，對廢水中許多污染物質(zhì)，尤其是有機(jī)物具有較強(qiáng)的吸附和絮凝共沉作用。（2）粉煤灰處理廢水不僅成本低，節(jié)約資源，而且還能達(dá)到以廢治廢的目的。（3） 采用適當(dāng)?shù)母男詣ζ溥M(jìn)行改性，可大大提高其吸附能力，效率高，操作方便。（4）粉煤灰中含有的沸石、炭粒等具有無機(jī)離子交換特性和很強(qiáng)的吸附脫色作用。利用粉煤灰治理印染等有機(jī)廢水不僅處理效果較好，而且還能達(dá)到以廢治廢的目標(biāo)。（5）粒級較寬，密度小、容重較輕、比表面積大以及灰粒細(xì)、碳粒粗等特點(diǎn)。粉煤灰吸附處理染料廢水的影響因素主要有：粉煤灰的投加量、溶液的pH值、反應(yīng)時(shí)間、溫度等。1.1.4 粉煤灰吸附處理

14、廢水技術(shù)的現(xiàn)狀我國是染料生產(chǎn)大國，已形成ll大類共600多個品種的規(guī)模，到2000年，年產(chǎn)量超過2×108t。對染料廢水的處理方法比較多，如生化法、電滲析法、化學(xué)凝聚法、氧化法、電解浮上法及離子交換樹脂法等，但是至今還沒有一種既有效又經(jīng)濟(jì)的處理印染廢水方法。煤炭是我國主要燃料，火力發(fā)電也以燃煤為主。在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，燃煤發(fā)電還將會是我國的主要電力能源，因而粉煤灰的產(chǎn)量將會持續(xù)地增加，預(yù)計(jì)到2010年，粉煤灰排放量將達(dá)到2×108t，占地1334×104 m2以上5。我國每年粉煤灰的排放量多達(dá)500萬t。其中只有少部分達(dá)到了綜合利用，大部分粉煤灰被閑置著，既占用大面

15、積的土地，又嚴(yán)重污染環(huán)境，破壞生態(tài)平衡 6。所以，開展對粉煤灰的綜合利用，變廢為寶，已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)和環(huán)保共同關(guān)注的問題。粉煤灰的主要成分是二氧化硅和三氧化二鋁，是一種具有不規(guī)則多孔的微粒，比表面積較大，具有一定的吸附能力，在染料廢水處理方面有較大的潛力。它的化學(xué)組成和多孔性結(jié)構(gòu)使其具有一定的吸附能力。近年來，利用粉煤灰的混凝作用、吸附作用處理廢水，COD去除率基本穩(wěn)定在85% 以上，色度去除率高達(dá)95% ，對懸浮物的去除效果好7 。同時(shí)利用粉煤灰處理印染廢水，具有效果好、費(fèi)用低、占地少等特點(diǎn)，很適合中小型紡織印染廠采用。1.1.5 粉煤灰吸附處理染料廢水技術(shù)的展望印染廢水是工業(yè)廢水排放大戶，

16、其中含有大量毒性大的染料、助劑以及各種化學(xué)原料，COD高、色度高、污染性強(qiáng)，是對環(huán)境污染嚴(yán)重的工業(yè)污染源之一。如何選擇一個在技術(shù)上可行、在經(jīng)濟(jì)上合理的方法，將印染污水進(jìn)行脫色一直是污水處理上的一個重要課題。近年來國內(nèi)外對含染料污水的脫色方法進(jìn)行了大量的研究，但由于含染料污水類別復(fù)雜，造成了治理技術(shù)上的困難，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，所以，如何脫色成為含染料污水處理的一個難題。粉煤灰是火力發(fā)電廠煤粉燃燒后排放的粉狀灰粒，是我國主要的工業(yè)固體廢棄物之一。粉煤灰的堆積不僅占用大量土地，而且還會給周圍環(huán)境造成巨大污染，破壞生態(tài)平衡。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)8-10，目前歐美發(fā)達(dá)國家粉煤灰的利用率已高達(dá)70%-80%，而我國

17、的利用率大約在30%-40%。因此，加大對粉煤灰綜合利用的研究和開發(fā)顯得日益重要。粉煤灰處理印染廢水成本低，廢水噸處理費(fèi)用為0.5元左右，是解決粉煤灰的合理利用極具前景的方法.以上這些問題的解決，將為固體廢棄物粉煤灰的工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，并推動相關(guān)科研領(lǐng)域發(fā)展和進(jìn)步。1.2 粉煤灰的改性與應(yīng)用 粉煤灰的改性粉煤灰改性的方法有很多：酸改性、堿改性、有機(jī)改性、高溫活化等。經(jīng)酸改性處理后的粉煤灰釋放出大量的Al和Fe3+，能有效降低水中懸浮顆粒的電位11，使懸浮顆粒脫穩(wěn)，起到絮凝劑的效果。同時(shí)經(jīng)酸處理的粉煤灰顆粒表面形成許多凹槽和孔洞，能加強(qiáng)吸附這些脫穩(wěn)的膠體顆粒。常用作改性的酸有H2SO4、HCL

18、等。用堿對其改性，粉煤灰顆粒表面的二氧化硅會發(fā)生化學(xué)解離而產(chǎn)生可變電荷，可能破壞粉煤灰顆粒表面的堅(jiān)硬外殼，使玻璃體表面可溶性物質(zhì)與堿性氧化物反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，并使粉煤灰中的莫來石及非晶狀玻璃相熔融，從而提高活性12。在堿性條件下粉煤灰顆粒表面上的OH基中的H+也可以發(fā)生解離，從而使顆粒表面部分帶負(fù)電荷，因此廢水中帶正電荷的金屬離子很容易被吸附在改性后的粉煤灰顆粒表面。適當(dāng)?shù)乜刂茰囟葧狗勖夯覂?nèi)部的水分被蒸干,分子的吸附性能更強(qiáng)，粉煤灰中的吸附性孔道隨溫度升高而增多，比表面積增大，因此吸附性能有小幅的提升；過高的溫度改變了粉煤灰的物理性質(zhì)，吸附孔道被燒得塌陷或堵死，使粉煤灰的比表面積下降，吸附能

19、力下降，脫色能力也隨之降低。有機(jī)改性改變了粉煤灰表面的電性，而染料廢水一般是帶負(fù)電的，這樣就使粉煤灰不僅有表面吸附能力，而且具有電中和的能力，增強(qiáng)了對廢水的處理效果。另一方面，有機(jī)部分包裹在粉煤灰表面，甚至有一部分進(jìn)入粉煤灰的孔隙內(nèi)部，粉煤灰表面呈疏松網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比表面積成倍增大，表面能增強(qiáng)，親水性能增強(qiáng)。而且粉煤灰起到了助凝劑的作用，有利于絮體的增大和沉降。處理后的廢水在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到澄清。 改性粉煤灰在處理染料廢水上的應(yīng)用粉煤灰因其比表面積大、多孔的特點(diǎn)，對染料大分子具有一定的吸附能力，且來源廣泛，價(jià)格低廉，因而在印染廢水處理方面有較大的潛力，但未經(jīng)改性的粉煤灰脫色能力有限。用酸改性處理的粉

20、煤灰13，可起到部分絮凝作用，顯著增強(qiáng)粉煤灰對染料的吸附能力，增大飽和吸附量，脫色率達(dá)96%以上。用石灰改性能破壞粉煤灰所具有的致密的玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)和表面保護(hù)膜層，使其內(nèi)部可溶性A12 O3 、SiO2 的活性被釋放出來，從而大大提高了粉煤灰的吸附能力，脫色率可達(dá)99.4%14。用酸堿改性的粉煤灰脫色效果都不錯，但對于降低COD的效果并不理想?？紤]到粉煤灰中含有碳基物，與鐵屑接觸能形成腐蝕原電池的陽極和陰極，并發(fā)生原電池反應(yīng)，可以利用鐵屑對粉煤灰進(jìn)行改性，在反應(yīng)器里產(chǎn)生微電場。印染廢水中分散的膠體顆粒，極性分子，細(xì)小污染物受微電場的作用后形成電泳，向相反電荷的電極方向移動，聚集在電極上，形成大顆粒

21、沉淀，從而使COD降解。 1.3 染料和染料廢水概述我國是染料生產(chǎn)大國，染料產(chǎn)量占世界的60%左右。然而，在染料生產(chǎn)過程中。每生產(chǎn)lt染料，將有2%的產(chǎn)品隨廢水流失。而在印染過程中損失更大，為所用染料的10%左右15。這不僅造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失也給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染。一般染料廢水的COD 高，而BOD和COD值較小，可生化性差、色度高、酸堿性強(qiáng)、含鹽量高、組分復(fù)雜、毒性強(qiáng)，并且現(xiàn)在染料朝著抗光解、抗熱及抗生物氧化方向發(fā)展從而使其處理難度加大。國內(nèi)外采用了化學(xué)法(如氧化法、混凝法、電解法等)、物理化學(xué)法(常用的有吸附法、膜技術(shù)等)、生物法(投菌法、厭氧好氧工藝等)對其進(jìn)行處理，處理機(jī)理大致為兩

22、種：(1)富集發(fā)色物質(zhì)，再分離去除；(2)破壞發(fā)色物質(zhì)，以達(dá)到脫色和降解有機(jī)物的目的16?；瘜W(xué)氧化法一般采用濕式氧化法，設(shè)備造價(jià)高，其中O3氧化法效果較好，但O3投加量大、成本高。Cl2氧化法雖處理效果好，但它容易與水中有機(jī)物生成毒性很大的氯代有機(jī)物，造成二次污染。吸附法只對親水性染料作用明顯，并且易受水中懸浮物染料和油脂的影響而失效，同時(shí)吸附劑用量大、費(fèi)用高；而混凝法僅對疏水性染料效果明顯，而對親水性染料的脫色效果差、COD去除率低17。生物法具有占地面積小、運(yùn)行成本低、無二次污染的優(yōu)點(diǎn)，但近年來由于化纖織物的發(fā)展和印染后整理技術(shù)的進(jìn)步，使PVA漿料、新型助劑等難生化降解的有機(jī)大分子進(jìn)入印染

23、廢水，原有的生物處理系統(tǒng)由原來的CODcr 去除率70%降到50%左右，甚至更低18。在我國已投產(chǎn)的染料生產(chǎn)廢水處理方法中，生物化學(xué)法因?yàn)樘幚碣M(fèi)用較低而被廣泛作為二級處理技術(shù)。但目前常用的生物化學(xué)法C0D去除率和脫色效果都不夠理想，出水COD和色度往往不能達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。1.4 本課題主要研究目的、研究內(nèi)容和研究意義 研究目的及意義應(yīng)用粉煤灰吸附處理堿性品紅染料廢水。研究粉煤灰和改性粉煤灰的投加量、攪拌速度、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度對處理效果的影響及其熱力學(xué)、動力學(xué)規(guī)律。粉煤灰的存放不僅占用大量的土地，而且嚴(yán)重污染環(huán)境，危害人體健康。所以，開展對粉煤灰的綜合利用，變廢為寶，已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)和環(huán)保共

24、同關(guān)注的問題。目前，用粉煤灰處理染料廢水的研究基本局限于實(shí)驗(yàn)室研究階段。要應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐則還需要進(jìn)一步加強(qiáng)對粉煤灰處理廢水的過程機(jī)理及反應(yīng)動力學(xué)等理論的研究，并解決好如何提高粉煤灰的吸附容量、粉煤灰改性方法的研究、灰水分離，以及吸附飽和灰的最終處置等問題。只有這樣才能夠使粉煤灰在廢水處理方面有所突破。 研究內(nèi)容應(yīng)用粉煤灰吸附處理堿性品紅染料廢水。主要包括：(1) 確定堿性品紅的最大吸收波長并做出標(biāo)準(zhǔn)曲線。(2) 改性粉煤灰最佳活化溫度的確定。(3)未改性粉煤灰吸附處理堿性品紅最佳條件的確定：粉煤灰投加量的確定；反應(yīng)時(shí)間的確定；最佳攪拌速度的確定；反應(yīng)溫度的影響。(4)改性粉煤灰吸附處理堿性品紅

25、最佳條件的確定：粉煤灰投加量的確定；反應(yīng)時(shí)間的確定；最佳攪拌速度的確定；反應(yīng)溫度的影響。 (5) 通過正交實(shí)驗(yàn)確定各因素影響反應(yīng)的主次順序。(6) 吸附熱力學(xué)：吸附等溫線的測定；等溫線吸附規(guī)律的數(shù)學(xué)模擬。 (7)吸附動力學(xué):吸附速率常數(shù)的求??；吸附速度控制步驟研究。第二章 實(shí)驗(yàn)部分2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器(1) FA-2004型電子天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司 (2) SHA-C型恒溫振蕩器 常州國華電器有限公司(3) VIS-721型分光光度計(jì) 上海第三分析儀器廠(4) JJ-4六聯(lián)同步電動攪拌器 上海精密科學(xué)儀器有限公司(5) 電動攪拌器 常州國華電器有限公司(6) 馬弗爐 南京電爐廠(7

26、) 粉煤灰 安徽蚌埠電廠(8) 堿性品紅 市售(9) HgSO4 上?；瘜W(xué)試劑有限公司(10)NaOH 上海試劑一廠2.2 實(shí)驗(yàn)方法 最佳波長的確定及標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制配制20mg/L的堿性品紅溶液，用721分光光度計(jì)在400nm570nm范圍內(nèi)，每隔10nm,測出其在不同入射波長下的不同吸光度值，找出其最大吸收波長。分別配制1mg/L，2mg/L，4mg/L，6mg/L ,8mg/L，10mg/L的堿性品紅溶液，測其吸光度并記錄，分別以溶液濃度和吸光度為橫軸和縱軸，擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線，要求線性系數(shù)R達(dá)到0.999以上。 改性灰最佳活化溫度的確定(1)粉煤灰的高溫活化取坩堝加入適量粉煤灰，放在馬弗爐中分

27、別在溫度為250、350、450、550、650條件下焙燒1h。取出冷卻，密封保存。(2) 確定最佳活化溫度分別取100mL濃度為100mg/L的堿性品紅溶液加入5個250mL錐形瓶中。依次在燒杯中投加400mg活化溫度為250、350、450、550、650的改性粉煤灰，將錐形瓶放到六聯(lián)攪拌器上，在300r/min下攪拌30min。過濾后測其吸光度，并進(jìn)行比較，得出粉煤灰的最佳活化溫度。2.2.3 粉煤灰吸附堿性品紅最佳條件的確定(1)最佳粉煤灰投加量的確定分別取100mL濃度為100mg/L的堿性品紅溶液加入5個250mL錐形瓶中。依次在燒杯中投加200mg、400mg、600mg、800

28、mg、1000mg的粉煤灰，將錐形瓶放到六聯(lián)攪拌器上，在300r/min下攪拌30min。過濾后測其吸光度，并進(jìn)行比較，得出粉煤灰的最佳投加量。(3) 反應(yīng)時(shí)間對處理效果的影響取4個錐形瓶，分別加入100ml濃度為100mg/L的堿性品紅溶液，依次加入800mg粉煤灰。將錐形瓶放到六聯(lián)攪拌器上，調(diào)整轉(zhuǎn)速300r/min,分別攪拌15min、30min、45min、60min。過濾后測其吸光度，并進(jìn)行比較，得出溶液的最佳反應(yīng)時(shí)間。 (3)攪拌速度對處理效果的影響分別取100mL濃度為100mg/L的堿性品紅溶液加入4個250mL錐形瓶中，依次加入800mg粉煤灰。將錐形瓶放到六聯(lián)攪拌器上，調(diào)整轉(zhuǎn)

29、速150r/min、200r/min、250r/min、300r/min,攪拌30min。過濾后測其吸光度，并進(jìn)行比較，得出溶液的最佳攪拌速度。 (4)反應(yīng)溫度對處理效果的影響取5個帶塞錐形瓶，分別加入100ml濃度為100mg/L的堿性品紅溶液，依次加入800mg粉煤灰。將錐形瓶放入恒溫振蕩水槽中，分別在25、35、45、55、65下振蕩1h。過濾后測其吸光度，并進(jìn)行比較，得出吸附的最佳反應(yīng)溫度。2.2.4 改性粉煤灰吸附堿性品紅最佳條件的確定 (1)最佳改性粉煤灰投加量的確定分別取100mL濃度為100mg/L的堿性品紅溶液加入9個250mL錐形瓶中。依次在燒杯中投加200mg、300mg

30、、400mg、500mg、600mg、700mg、800mg、900mg、1000 mg的改性粉煤灰，將錐形瓶放到六聯(lián)攪拌器上，在300r/min下攪拌30min。過濾后測其吸光度，并進(jìn)行比較，得出粉煤灰的最佳投加量。 (2)反應(yīng)時(shí)間對處理效果的影響取4個錐形瓶，分別加入100ml濃度為100mg/L的堿性品紅溶液，依次加入800mg改性粉煤灰。將錐形瓶放到六聯(lián)攪拌器上，調(diào)整轉(zhuǎn)速300r/min,分別攪拌15min、30min、45min、60min。過濾后測其吸光度，并進(jìn)行比較，得出溶液的最佳反應(yīng)時(shí)間。 (3)攪拌速度對處理效果的影響分別取100mL濃度為100mg/L的堿性品紅溶液加入4個

31、250mL錐形瓶中，依次加入800mg改性粉煤灰。將錐形瓶放到六聯(lián)攪拌器上，調(diào)整轉(zhuǎn)速150r/min、200r/min、250r/min、300r/min,攪拌30min。過濾后測其吸光度，并進(jìn)行比較，得出溶液的最佳攪拌速度。 (4)反應(yīng)溫度對處理效果的影響取5個帶塞錐形瓶，分別加入100ml濃度為100mg/L的堿性品紅溶液，依次加入800mg改性粉煤灰。將錐形瓶放入恒溫振蕩水槽中，分別在25、35、45、55、65下振蕩1h。過濾后測其吸光度，并進(jìn)行比較，得出吸附的最佳反應(yīng)溫度。2.2.5 正交實(shí)驗(yàn)根據(jù)正交試驗(yàn)表L_9_3_4四因素三水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電動攪拌器和恒溫振蕩器聯(lián)合使用。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果

32、進(jìn)行分析得出結(jié)論。2.2.5 吸附動力學(xué)取6個帶塞錐形瓶，分別加入100ml濃度為10mg/L、20 mg/L、 40 mg/L、 60 mg/L、 80 mg/L、100 mg/L的堿性品紅溶液，依次加入800mg改性粉煤灰。將錐形瓶放入恒溫振蕩水槽中，在35下振蕩1h。過濾分離后測其吸光度，并進(jìn)行比較。第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1 最佳波長的確定及標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 最佳波長的確定表3-1為20mg/L的堿性品紅溶液在400nm570nm所測得的吸光度值表3-1堿性品紅溶液吸光度Tab.3-1 The Basic Fuchsin solution absorbency波長（nm）吸光度波長(n

33、m)吸光度4000.0054900.2164100.0135000.2344200.0235100.2464300.0395200.2834400.0635300.3314500.0945400.3874600.1275500.3954700.1675600.2974800.1995700.193由表3-1可知堿性品紅在波長為550nm時(shí)有最大吸收波長。故實(shí)驗(yàn)時(shí)均在波長550nm下測定吸光度。 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制配制標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度及其吸光度所測數(shù)據(jù)見表3-2，標(biāo)準(zhǔn)曲線圖見圖3-1。表3-2 標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度Tab.3-2 The standard solution absorbency樣品編號濃 度

34、（mg/L）校正吸光度110.153220.298340.614460.942581.2766101.578圖3-1 標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig3-1 Standard curve由濃度C與吸光度A的關(guān)系式：C=6.251A+0.1026，標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性系數(shù)R2達(dá)到0.9997，線性相關(guān)性好。3.2 改性粉煤灰最佳活化溫度的確定取體積為100ml的100mg/L堿性品紅溶液，各投加400mg250、350、450、550、650改性粉煤灰，在六聯(lián)攪拌器上以300r/min速度攪拌30min,過濾后測其吸光度。數(shù)據(jù)見表3-3，改性粉煤灰活化溫度與脫色率的關(guān)系見圖3-2。表3-3改性灰最佳活化溫度的確定Tab

35、.3-4 Determination of the 改性溫度（）校正吸光度脫色率（%）0.26898.220.21198.580.23598.850.32897.850.36997.59圖3-2改性灰活化溫度與脫色率的關(guān)系由圖3-2可得知經(jīng)350改性后的粉煤灰吸附處理堿性品紅效率最高，故350為粉煤灰的最佳改性溫度。3.3 粉煤灰吸附處理堿性品紅最佳條件的確定3.3.1 最佳粉煤灰投加量的確定取體積為100ml的100mg/L堿性品紅溶液，投加200mg、400mg、600mg、800mg、1000mg的粉煤灰，在六聯(lián)攪拌器上以300r/min速度攪拌30min,過濾后測其吸光度。數(shù)據(jù)見下表3

36、-4，投加量與脫色率的關(guān)系見圖3-3。Tab.3-4 Determination of the optimum adding amount of fly ash粉煤灰量（mg）校正吸光度脫色率（%）0.96593.950.17098.830.06099.500.02999.690.02499.72圖3-3原灰投加量與脫色率的關(guān)系 由圖3-3可知在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，隨粉煤灰投加量的逐漸增加，堿性品紅染料溶液的去脫色率漸漸增大。這說明對于色度的去除，主要靠吸附作用，絮凝作用對色度去除效果不如吸附作用明顯。粉煤灰對印染水中有色物質(zhì)的吸附是固體在溶液中的吸附，其吸附劑、溶質(zhì)、溶劑三者極性不同對吸附量是有影響

37、的。一般非極性的吸附劑易于吸附非極性強(qiáng)的物質(zhì)。粉煤灰屬非極性吸附劑，而印染廢水中引起色度的物質(zhì)，大多數(shù)為極性較差的有機(jī)物，因此易被吸附劑吸附。所以，粉煤灰能較好地吸附廢水中的有色物質(zhì)，具有較好的脫色效果。實(shí)際上投灰量增加會導(dǎo)致污泥量增加。不利于后續(xù)的污泥處理，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的可行性分析和去除效果要求，確定本實(shí)驗(yàn)粉煤灰的最佳投加量為800mg/L。3.3.2 反應(yīng)時(shí)間對處理效果的影響取體積為100ml的100mg/L堿性品紅溶液，各投加800mg粉煤灰，在六聯(lián)攪拌器上以300r/min速度攪拌15min、30min、45min、60min,過濾后測其吸光度。數(shù)據(jù)見下表3-5，攪拌時(shí)間與脫色率的關(guān)系

38、見圖3-4。表3-5 反應(yīng)時(shí)間對堿性品紅去除率的影響Tab.3-5 Influence of reaction time on the removal of Basic Fuchsin 時(shí)間(min)校正吸光度脫色率（）150.02099.75300.01399.79450.01299.80600.01299.80圖3-4攪拌時(shí)間與脫色率的關(guān)系 由圖3-4結(jié)果可以看出：在吸附開始的一段時(shí)間內(nèi)吸附量上升較快，以后慢慢趨于平緩。這種先快后慢的過程，是由于當(dāng)粉煤灰剛剛加入廢水中時(shí)，粉煤灰表面和溶液中染料分子的濃度差很大，因此產(chǎn)生的吸附推動力也很大，造成吸附剛開始一段時(shí)間進(jìn)行較快。隨著時(shí)間的推移，粉煤

39、灰表面和溶液中染料分子的濃度差逐漸減小，因而吸附推動力減弱，吸附過程趨于緩慢。3.3.3 攪拌速度對處理效果的影響取體積為100ml的100mg/L堿性品紅溶液，各投加800mg粉煤灰，在六聯(lián)攪拌器上各以150r/min、200 r/min、 250 r/min、 300 r/min的速度攪拌30min,過濾后測其吸光度。數(shù)據(jù)見表3-6，攪拌速度與脫色率的關(guān)系見圖3-5。表3-6攪拌速度對堿性品紅去除率的影響Table 3-6 mixing speed on the removal of alkaline magenta攪拌速度(r/min)校正吸光度脫色率（）1500.45897.06200

40、0.02199.742500.02799.713000.06899.45圖3-5攪拌速度與脫色率的關(guān)系 由圖3-5可得知，一開始，溶液脫色率隨著攪拌速度的增大而增高，在200r/min后，隨著攪拌速度的增大，脫色率下降，故最佳攪拌速度為200r/min。3.3.4 反應(yīng)溫度對處理效果的影響取體積為100ml的100mg/L堿性品紅溶液，各投加800mg粉煤灰，控制溫度25、35、45、55、65，在恒溫振蕩器內(nèi)振蕩1h過濾后測其吸光度。數(shù)據(jù)見表3-7，溫度與脫色率的關(guān)系見圖3-6。表3-7溫度對處理效果的影響Tab.3-7 The influence of temperature on the

41、 effect of adsorption溫度（）校正吸光度脫色率（%）250.03999.63350.02099.75450.01399.79550.01299.80650.01299.80圖3-6 溫度對吸附效果的影響Fig3-6 The influence of temperature on the effect of absorbtion圖3-6中曲線表明，粉煤灰吸附堿性品紅染料廢水，隨著溫度的升高，脫色率也上升逐步達(dá)到平衡，說明升溫有利于粉煤灰對堿性品紅的吸附。3.4 改性粉煤灰吸附處理堿性品紅最佳條件的確定3.4.1 最佳粉煤灰投加量的確定取體積為100ml的100mg/L堿性品紅

42、溶液，各投加200mg、300mg、400mg、500mg、600mg、700mg、800mg、900mg、1000mg的改性粉煤灰，在六聯(lián)攪拌器上以300r/min攪拌30min,過濾后測其吸光度。數(shù)據(jù)見表3-8，吸附效果見圖3-7。表3-8改性灰投加量對處理效果的影響Table 3-8 modified ash dosage to deal with the effects改性粉煤灰量（mg）校正吸光度脫色率（%）1.39091.340.42597.260.22498.500.14299.000.08699.340.00999.820.00599.840.00499.850.00399.8

43、5圖3-7 改性灰投加量對吸附效果的影響3.4.2 反應(yīng)時(shí)間對處理效果的影響取體積為100ml的100mg/L堿性品紅溶液，各投加800mg改性粉煤灰，在六聯(lián)攪拌器上以300r/min攪拌15min、30min、45min、60min,過濾后測其吸光度。數(shù)據(jù)見表3-9，效果見圖3-8。表3-9反應(yīng)時(shí)間對處理效果的影響時(shí)間(min)校正吸光度脫色率（）150.02499.75300.01299.82450.01199.83600.01199.83圖3-8 反應(yīng)時(shí)間對吸附效果的影響由圖3-8得知改性粉煤灰的最佳反應(yīng)時(shí)間為30min。3.4.3 攪拌速度對處理效果的影響取體積為100ml的100mg

44、/L堿性品紅溶液，各投加800mg改性粉煤灰，在六聯(lián)攪拌器上以150r/min、200r/min、250r/min、300r/min的速度攪拌30min,過濾后測其吸光度。數(shù)據(jù)見表3-10，影響見圖3-9。表3-10攪拌速度對處理效果的影響攪拌速度(r/min)校正吸光度脫色率（）1500.40297.402000.02199.742500.02699.713000.06499.48圖3-9 攪拌速度對吸附效果的影響3.4.4 反應(yīng)溫度對處理效果的影響取體積為100ml的100mg/L堿性品紅溶液，各投加800mg粉煤灰，控制溫度25、35、45、55、65，在恒溫振蕩器內(nèi)振蕩1h過濾后測其吸

45、光度。數(shù)據(jù)見表3-11，反應(yīng)溫度影響見圖3-10。表3-11反應(yīng)溫度處理效果的影響溫度（）校正吸光度脫色率（%）250.02499.72350.01699.77450.01299.80550.01099.81650.01099.81圖3-10 反應(yīng)溫度對吸附效果的影響3.5 正交試驗(yàn)為了確定實(shí)驗(yàn)因素之間的關(guān)系,制定了以下正交實(shí)驗(yàn)表表3-12 L9_3_4正交實(shí)驗(yàn)表L9_3_4123溫度()A354555反應(yīng)時(shí)間(min)B153045攪拌速度(r/min)C150200250投加量(mg)D6008001000實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)ABCD校正吸光度111110.051212220.011313330

46、.010421230.011522310.013623120.020731320.016832130.014933210.011均值10.0240.0260.0280.025均值20.0150.0130.0110.016均值30.0140.0140.0130.012極差0.0100.0130.0170.013正交實(shí)驗(yàn)的直觀分析計(jì)算:1 數(shù)據(jù)計(jì)算可在實(shí)驗(yàn)計(jì)劃表上進(jìn)行,計(jì)算項(xiàng)目有: n次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值,計(jì)算式為: kij表示第j列因素(j=1,2,3,4),第i水平(i=1,2,3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和。例如k12表示第二列因素第一水平結(jié)果之和。 wij表示第j列因素第i水平的效應(yīng)，表達(dá)式為： Rj表示

47、第j列因素的最大效應(yīng)與最小效應(yīng)之差，有叫做極差，其表達(dá)式：Rj=（wij）max（wij）min2 因素主次分析從直觀分析計(jì)算表中極差Rj的大小可以判斷因素對指標(biāo)影響的主次，Rj越大，表示第j號因素對指標(biāo)的影響越小。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果為RA=0.010,RB=0.013,RC=0.017,RD=0.013 ,故因素的主次關(guān)系為:A、B、D、C,即溫度是影響改性灰處理效果的關(guān)鍵因素，反應(yīng)時(shí)間和投加量是次要因素。3 最佳條件的選擇根據(jù)各因素的最好水平，可得到一個最佳的處理?xiàng)l件為A1B3C3D3，即35條件下攪拌速度為250r/min,投加量為1g/L，反應(yīng)45min。3.6 吸附熱力學(xué) 吸附等溫線的測定取

48、V=100mL，濃度分別為10 mg/L、20 mg/L、40mg/L、60 mg/L、80 mg/L、100 mg/L的堿性品紅溶液，改性粉煤灰投加量為，分別在35下振蕩1h。過濾后測其吸光度。數(shù)據(jù)見下表3-13，等溫線見圖3-11。 表3-13C（mg/L）吸光度Ce（mg/L）qe100.0030.1201.23200.0040.1262.48400.0080.1514.98600.0090.1587.48800.0090.1589.981000.0140.18912.48圖3-11 等溫吸附的一般形式Figure 3-11 圖3-11所示的吸附等溫線形狀，按照Giles等人對溶液吸附等

49、溫線的分類屬于S型，可用Langmuir模式擬合 等溫線吸附規(guī)律的數(shù)學(xué)模擬描述吸附等溫線規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為吸附等溫式，常用的有Freundlich吸附等溫式、Langmuir吸附等溫式和吸附等溫式。本文僅用Langmuir吸附等溫式進(jìn)行擬合。 Langmuir等溫吸附模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （3-1）式（3-3）可轉(zhuǎn)化為下面的線性形式： （3-2）根據(jù)吸附平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按式（3-2）作圖得一條直線，其斜率和截距求出q0和b的值。q0值可用來比較同一吸附劑對不同吸附質(zhì)的吸附能力相對大小，q0大者，吸附能力強(qiáng)；b為吸附常數(shù)，其值與吸附能有關(guān)。按照表3-11中的數(shù)據(jù)作圖,如下:圖3-12 Langm

50、uir吸附等溫線Fig 3-12 Langmuir model at different temperature并用Langmuir吸附等溫式進(jìn)行擬合，lgCe/qe=0.1204Ce+0.2678 從擬合結(jié)果可以看出：改性粉煤灰對水中堿性品紅的吸附規(guī)律可較好地用Langmuir吸附等溫式描述。3.7 吸附動力學(xué) 吸附速率常數(shù)的求取 （3-5） 式中：D顆粒內(nèi)有效擴(kuò)散系數(shù)；吸附速率常數(shù)的求取可以用多種吸附動力學(xué)模式求得，本文僅用Bangham模式和Langmuir模式進(jìn)行擬合。Bangham動力學(xué)模式為： （3-6）式中： q吸附量，mg/g； K表觀速率常數(shù)； 1/m吸附速率常數(shù)將式（36）積分得： （3-7） 兩邊取對數(shù)得： (3-8) 按照式(3-8)對表(3-9)中相對應(yīng)的吸附速率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，以 lgq對lgt作圖得一直線，擬合結(jié)果見圖3-13所示，求得直線方程及對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)為：lgq=0.1651lgt+0.