粉煤灰及其制备沸石对高浓度氨氮的去除比较

粉煤灰及其制备沸石对高浓度氨氮的去除比较

邱素芬;王源;蔡觅;李佳慧;刘嘉欣;薛杨

【摘要】以粉煤灰为原料,采用改进的水热合成法制备了粉煤灰沸石,并将粉煤灰和粉煤灰沸石用于高浓度氨氮的吸附去除.实验结果表明:在粉煤灰和粉煤灰沸石的投加量分别为0.10 g/mL和0.04 g/mL、反应体系pH为5～7、初始氨氮质量浓度为500 mg/L的条件下,分别吸附660 min和60 min,粉煤灰和粉煤灰沸石对氨氮的去除率分别约为20.1％和50.7％左右,粉煤灰沸石对高浓度氨氮的去除效果明显优于粉煤灰;粉煤灰和粉煤灰沸石对氨氮的吸附动力学行为符合准二级动力学方程;Langmuir和Freundlich等温吸附模型能较好地描述粉煤灰对氨氮的等温吸附过程,而粉煤灰沸石对氨氮的等温吸附过程则更适宜用线性模型和Freundlich模型描述.

【期刊名称】《化工环保》

【年(卷),期】2015(035)006

【总页数】5页(P583-587)

【关键词】粉煤灰沸石;高浓度氨氮废水;吸附;去除

【作者】邱素芬;王源;蔡觅;李佳慧;刘嘉欣;薛杨

【作者单位】辽宁工程技术大学环境科学与工程学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学环境科学与工程学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学环境科学与工程学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学环境科学与工程学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学环境科学与工程学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学环境科学与工程学院,辽宁阜新123000

【正文语种】中文

【中图分类】X752

粉煤灰是燃煤电厂粉煤燃烧排放的废弃物，粒径为1～500 μm。我国粉煤灰排放

量大，预计到2020年总堆存量可达3×109t以上［1］。粉煤灰回收后可用于建筑、农业、环保等领域，以及有用物质的提取［2］。粉煤灰中含有大量二氧化硅、三氧化二铝等活性物质，具有良好的吸附能力［3］，可直接或改性后用于重金属、有机物等污染物的吸附［4-5］。粉煤灰与沸石分子筛成分类似，可用于制备沸石［6］。迄今为止，用粉煤灰制得的沸石类型至少有15种，且转化率可达60%［7］。

目前，国内外可有效去除废水中氨氮的方法有很多［8-12］，但至今还没有一种

流程简单、操作方便、技术成熟、廉价有效且无二次污染的处理方法。离子交换法是一种有效的脱氮方法，而粉煤灰沸石独特的晶架结构使其对氨氮有选择性吸附和离子交换两种吸附作用，且具有操作简单、高效快速、无二次污染、可再生等优点，近期备受人们关注［13］。其中，利用粉煤灰合成沸石对氨氮废水进行处理的研

究已有很多，但对高浓度氨氮废水处理的研究较少。

本工作以粉煤灰为原料采用改进的水热合成法制备了粉煤灰沸石，并将粉煤灰和粉煤灰沸石用于高浓度氨氮的吸附去除，研究了氨氮去除的影响因素，并讨论了吸附的动力学和热力学特征。

1.1 试剂、材料和仪器

九水硅酸钠、无水氯化铵、NaOH、盐酸：分析纯。X分子筛：粒径3～5 mm，

堆密度0.65 g/cm3，上海摩力克分子筛有限公司。

氨氮溶液：称取3.819 9 g无水氯化铵于1 000 mL容量瓶中，加水至刻度，得1.00 mg/mL氨氮标准溶液，实验中根据需要进行稀释。

粉煤灰：辽宁省阜新市城南热电厂干法电除尘排灰的收集尘，暗灰色，过80目筛，主要成分（近90%（w））为SiO2，Al2O3，Fe2O3，次要成分包括CaO，MgO，K2O等。粉煤灰的化学成分见表1。

GFA7000A型原子吸收分光光度计：日本岛津公司；TU19型紫外-可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；雷磁pHS-3C型pH计：上海雷磁仪器厂。

1.2 粉煤灰沸石的制备

以粉煤灰为原料，采用改进后的一步水热合成法［14］制备粉煤灰沸石：首先将

粉煤灰磨成粉末，然后按照粉煤灰与NaOH的质量比5∶3加入NaOH进行碱熔

预处理；加入一定量的九水硅酸钠和少量X分子筛（作为晶种），于60 ℃高压反应釜中陈化30 min；升高反应釜内温度至90 ℃，晶化10 h；经洗涤、过滤、干燥，得灰色粉煤灰沸石。

1.3 吸附实验

分别称取一定量的粉煤灰或粉煤灰沸石置于具塞磨口锥形瓶中，加入50 mL一定

浓度的氨氮溶液，用1.0 mol/L盐酸和1.0 mol/L NaOH溶液调节反应体系pH （即吸附pH），于25 ℃恒温振荡箱中（170 r/min）振荡至吸附平衡（660 min 或60 min），取吸附液待测。

改变吸附时间，每隔一段时间取样，进行吸附动力学实验。

1.4 分析方法

参照GB/T 1574—2007《煤灰成分分析方法》［15］测定粉煤灰的化学成分，其中，Fe2O3，CaO，MgO，K2O，Na2O的测定采用原子吸收法，Al2O3采用氟盐取代乙二胺四乙酸络合滴定法，SiO2采用硅钼蓝分光光度法。

将30 mL吸附液于离心管中，在4 000 r/min条件下离心30 min，取上清液过0.45 μm微孔滤膜。采用纳氏试剂光度法［16］测定滤液中的氨氮质量浓度，进

而计算氨氮吸附量和氨氮去除率。

2.1 吸附动力学

在粉煤灰和粉煤灰沸石的投加量分别为0.10 g/ mL和0.04 g/mL、初始氨氮质量浓度为500 mg/L、吸附pH为6.5的条件下，粉煤灰（a）和粉煤灰沸石（b）对氨氮的吸附动力学曲线见图1。

由图1可见：粉煤灰和粉煤灰沸石对氨氮的吸附动力学过程具有相似的变化趋势；粉煤灰对氨氮的吸附在660 min达到平衡，而粉煤灰沸石对氨氮的吸附则能较快

达到平衡（60 min）；粉煤灰沸石对氨氮的平衡吸附量是粉煤灰的2.4倍。由此

可见，粉煤灰沸石对氨氮的吸附去除效果优于粉煤灰。

分别采用准一级动力学方程（见式（1））和准二级动力学方程（见式（2））对

吸附动力学实验数据进行拟合，拟合结果见表2。由表2可见，粉煤灰和粉煤灰沸石对氨氮吸附的动力学过程均遵循准二级动力学方程，说明粉煤灰和粉煤灰沸石对氨氮的吸附主要是化学吸附。

式中：t为吸附时间，min；qt为t时刻的吸附量，mg/g；qe为平衡吸附量，

mg/g；K1为准一级吸附速率常数，min-1；K2为准二级吸附速率常数，g/（mg·min）。

2.2 等温吸附模型

在粉煤灰和粉煤灰沸石的投加量分别为0.10 g/mL和0.04 g/mL、吸附pH为6.5的条件下，粉煤灰和粉煤灰沸石对氨氮的吸附等温线见图2，其中，ρe为吸附平

衡时的氨氮质量浓度，mg/L。由图2可见，粉煤灰沸石比粉煤灰对氨氮的吸附量大很多。

分别采用线性、Langmuir和Freundlich等温吸附模型（见式（3）～（5））对

等温吸附实验数据进行拟合，拟合结果见表3。由表3可见：Langmuir模型和Freundlich模型能较好地描述粉煤灰对氨氮的等温吸附过程；而粉煤灰沸石对氨

氮的等温吸附过程则更适宜用线性模型和Freundlich模型描述。说明粉煤灰对氨