响应面法优化垃圾焚烧飞灰制备聚合硫酸铝铁的方法.pdf

年 月云南化工 第 卷第 期 ，：响应面法优化垃圾焚烧飞灰制备聚合硫酸铝铁的方法张茜，张婷钰，李健，董思涵，丁嘉玲，杨雨虹，刘天成，王博涛，（云南民族大学化学与环境学院，云南昆明 ；绵阳市涪城区自然资源局，四川绵阳 ；云南省教育厅环境功能材料重点实验室，云南昆明 ）摘要：以昆明市某垃圾焚烧厂的生活垃圾焚烧飞灰为原料，通过酸浸法制备了聚合硫酸铝铁絮凝剂（），并用于高岭土模拟废水的絮凝处理。探讨了材料制备条件的单因素实验，并通过响应面分析技术优化实验条件得到了最佳材料制备条件。结果表明，当聚合时间为 、聚合搅拌速度为 、聚合温度为 时，絮凝剂对模拟废水的除浊率预测值为 ，实际值为 ，两者差距较小，说明该响应面模型可靠性较高，最优参数具有可信性。关键词：生活垃圾焚烧飞灰；聚合硫酸铝铁；除浊率；响应面优化中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：（），：；根据 中国统计年鉴（）资源与环境部分显示，年我国的城市生活垃圾清运量为 万 ，通过焚烧途径处理的城市垃圾达 万 ，占无害化处理总量的 。城市垃圾的焚烧处理必然伴随垃圾焚烧飞灰的产生，其生成量为焚烧垃圾量的 。由于垃圾焚烧飞灰中含有二英和重金属等污染物，因此被我国列为 类危险废物 。目前，垃圾焚烧飞灰的无害化和资源化处置已经成为环保行业的“卡脖子”技术。寻求一种经济高效的垃圾焚烧飞灰资源化、无害化途径已是当前环境保护工作的重要内容。絮凝剂是一种主要的水处理剂。常见的絮凝剂可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂 。常见的无机絮凝剂主要是低分子或高分子类的铁、铝絮凝剂，以及复合絮凝剂等 。有机絮凝剂包括天然有机高分子絮凝剂、合成有机高分子絮凝剂和微生物絮凝剂等 。聚合硫酸铝铁絮凝剂（）是一种无机高分子复合絮凝剂，不仅具备铝系絮凝剂对水的高效净化性能，同时也具备铁系絮凝剂絮凝沉降速度快、使用成本低廉的优点 ，因此，目前被广泛使用于生活污水、工业污水的处理中。生活垃圾焚烧飞灰中具备丰富的铝、铁元素。为探讨飞灰制备 絮凝剂的可行性，本实验通过对飞灰样品进行酸浸制备 絮凝剂来探究飞灰资源化利用的新途径，通过改变聚合时间、聚合温度、聚合搅拌速度三种单因素条件以及响应面分析法，确定 的最佳制备条件。材料与方法 主要仪器及试剂仪器：电热恒温鼓风干燥箱，上海龙跃仪器设备有限公司；集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；浊度计，上海昕瑞仪器仪表有限公司。试剂：硫酸、氯化锌、氢氧化钠、重铬酸钾、过 年 月云南化工 第 卷第 期 ，氧化氢等，均为分析纯。实验材料与制备方法 絮凝剂的制备本实验所用初始飞灰样本采自云南省昆明市某垃圾焚烧厂。对采集到的飞灰进行研磨后过 目筛，将过筛后飞灰置于 烘箱中烘干备用。将 处理后的飞灰样品置于 烧杯，采用硫酸对飞灰样品进行酸浸，将其放入磁力搅拌器中充分搅拌至无明显气泡产生。经过滤后得到飞灰酸浸液，向其中加入 的过氧化氢溶液，继续缓慢滴加 的氢氧化钠溶液。调节 、时间、温度、搅拌速度，将聚合搅拌后的样品置于室温熟化 后烘干，将烘干样品充分研磨，得到 样品。絮凝效果实验取粒度为 目的高岭土粉末加入蒸馏水中，配制质量浓度为 的悬浮液，快速搅拌后静置 制得模拟废水用于 絮凝实验。的絮凝效果实验条件为：絮凝剂投加量 、搅拌时间 、搅拌速度 ，水体 。反应结束后根据式（）进行除浊率（）计算。（）式中：为水样初始浊度，；为水样经处理后浊度，。实验设计 单因素实验设计）聚合时间对 除浊率的影响在聚合搅拌速度为 、聚合温度为 条件下，调整聚合时间为 、，测试对 除浊率的影响，确定最佳聚合时间。）聚合搅拌速度对 除浊率的影响在聚合时间为 、聚合温度为 条件下，调整聚合搅拌速度为 、，测试对 除浊率的影响，确定最佳聚合搅拌速度。）聚合温度对 除浊率的影响在聚合搅拌速度为 、聚合时间内为 条件下，调整聚合温度为 、，测试对 除浊率的影响，确定最佳聚合温度。响应面实验设计采用 软件所具有的 （）部分，对上述三种单因素进行了三因素三水平实验设计，、分别表示：聚合时间（）、聚 合 搅 拌 速 度（）、聚 合 温 度（）。响应面因素及水平设计见表 。表 响应面因素及水平表水平（聚合时间）（聚合搅拌速度）（聚合温度）结果与讨论 制备条件的选择 聚合时间对 除浊率的影响在聚合搅拌速度为 、聚合温度为 的条件下，调整聚合时间分别为 、，探究聚合时间对 除浊率的影响，结果如图 所示。图 聚合时间对 除浊率的影响由图 可知，聚合时间从 增加到 时，除浊率呈下降趋势，之后随着时间的增加不断上升，在 时达到最大除浊率，随后小幅下降。这是由于聚合时间过短则离子结合可能不完全，而时间过长又会让部分产物变为沉淀 ，两种情况都会对絮凝剂性能产生消极影响。因此，选择 作为制备 的聚合时间。聚合搅拌速度对 除浊率的影响在聚合时间为 、聚合温度为 的条件下，调整聚合搅拌速度分别为 、，探究聚合搅拌速度对 除浊率的影响，结果如图 所示。图 聚合搅拌速度对 除浊率的影响 年 月云南化工 第 卷第 期 ，由图 可知，的除浊率在聚合搅拌速度为 时取最大值，随着搅拌速度的增加，除浊率下降。在絮凝剂的制备过程中，进行适度的搅拌灰促进离子的结合，但搅拌速度过大会使离子间结合力降低，使离子结合效率降低。因此，选择 作为制备 的聚合搅拌速度。聚合温度对 除浊率的影响在聚合时间为 、聚合搅拌速度为 的条 件 下，调 整 聚 合 温 度 分 别 为 、，探究聚合温度对 除浊率的影响，结果如图 所示。图 聚合温度对 除浊率的影响由图 可知，除浊率随聚合温度增加呈先上升后下降的趋势，在聚合温度为 时达到最大。适当的提高聚合温度会促进 和 的水解，增加聚合过程中长链的形成概率，温度过高则会破坏长链的稳定性，促使已生成的络合物分解因此，选择 作为制备 的聚合温度。响应面优化实验 响应面实验结果采用 软件所具有的 （）部分设计了 组响应面实验，测定经 处理后高岭土模拟废水浊度，实验条件及结果见表 。表 响应面优化实验条件及结果序号（聚合时间）（聚合搅拌速度）（）（聚合温度）除浊率 响应面精确度及显著性分析在 软件中，利用其 模块，对表 中的数据进行回归拟合，得出除浊率对三种主要影响因素的回归方程，对回归方程进行方差分析，分析结果见表 。表 方差分析数据表来源平方和（）自由度（）均方（）显著性模型 显著（聚合时间）（聚合搅拌速度）（聚合温度）残差 拟合不足 不显著误差 总误差 由表 可知，该模型 值小于 ，表明该模型显著 ；拟合不足项为 ，大于 ，说明该项不显著，即不存在失拟项，表明设计模型是可靠的 。对回归模型进行拟合优度检验，得出该模型相 年 月云南化工 第 卷第 期 ，关系数 ，该模型相关性较好 ；校正决定系数 、，两者之差，即调整决定系数小于 ，说明该模型合理，模型拟合结果可信度较高 。响应曲面图分析利用 软件，对实验模型进行响应曲面图分析，得到三个因素中每两个单因素交互作用于除浊率的三维图和等高线图，如图 图 所示。三维图陡峭程度与等高线趋近于圆的趋势表明了对应两个单因素条件对除浊率交互作用的强弱，三维图越 陡 峭，等 高 线 越 趋 于 椭 圆 形 则 交 互 作 用 越强 ，且等高线图中各椭圆间距较小时，说明该因素对除浊率的影响更大 。40506070803035404550K(/%A(5K)/min2020252525305C(5#)/图 聚合时间与聚合温度等高线图4050607080507090110130150K(/%A(5K)/minB(5E)/(r/min)15152020202025305图 聚合时间与聚合搅拌速度等高线图5070901101301503035404550K(/%B(5E)/(r/min)C(5#)/15152020202525305图 聚合搅拌速度与聚合温度等高线图5070 90 110 130150 40506070800 10 20 30 40 K(/%A(5K)/minB(5E)/(r/min)图 聚合时间与聚合搅拌速度三维图30354045504050607080010203040 K(/%A(5K)/minC(5#)/图 聚合时间与聚合温度三维图3035404550507090110130150010203040K(/%B(5E)/(r/min)C(5#)/图 聚合搅拌速度与聚合温度三维图图、图、图为两两单因素对除浊率交互作用程度的等高线图。图 是三图中最趋近于圆形的，表明因素 聚合时间与因素 聚合温度间交互作用不显著；图 中的等高线呈椭圆形，可知，因素 聚合时间与因素 聚合搅拌速度对除浊率的交互作用影响较为明显，且相对于因素 来说，因素 的影响效果更为明显；图 表明，因素 聚合搅拌速度与因素 聚合温度交互作用明显，且因素 比因素 的影响效果明显。因素 与因素 的交互作用是三种影响中最为显著的，而因素 与因素 的交互作用则为三种影响中最小的。图、图、图为两两单因素对除浊率交互作用程度的三维图。由图 看出，随着因素 不断增加，的除浊效率先增加后减弱，在 、时，除浊效率最大；由图看出，随着因素增 加，除 浊 效 率 先 增 强 后 减 弱，在 年 月云南化工 第 卷第 期 ，、时，除浊效率达到最大；由图 看出，随因素 增大，除浊效率呈现先增加后减弱的趋势，在 、时，除浊效率达到最大。综上对响应曲面的分析，认为有必要使用 软件对各参数取值进行优化，使制备的 絮凝剂对模拟废水的除浊性能达到最佳。制备条件优化及验证在上述方差分析及响应曲面分析基础上，通过 软件，对影响 絮凝剂性能及其除浊效果的因素进行优化，得到最优参数如表 所示，最佳聚合时间为 、最佳聚合搅拌速度为 、最佳聚合温度为 ，此条件下制备的 絮凝剂对污水浊度的去除率预测值为 。按最佳制备条件进行三组平行实验，取三次实验除浊率的平均值，得到实际除浊率为 ，与预测值差距不大，说明优化得到的实验参数具有指导意义。因此，本实验中 制备的最佳条件为，聚合时间为 、聚合搅拌速度为 、聚合温度为 。表 响应面回归模拟优化实验参数（聚合时间）（聚合搅拌速度）（）（聚合温度）除浊率 预测值实际值 结论本文通过对城市固体垃圾焚烧所产生的飞灰进行酸浸、氧化、水解、聚合的操作，将其制备成可利用的聚合硫酸铝铁絮凝剂（），提出了一种垃圾焚烧飞灰资源化的新途径。通过单因素实验及响应面优化实验，获得 最佳制备条件为：聚合时间 、聚合搅拌速度为 、聚合温度为 ，最优制备条件下制得的 用于处理高岭土模拟废水，对高岭土模拟废水除浊效率达 ，与面模型预测值相近。参考文献：中华人民共和国国家统计局 中国统计年鉴 北京：中国统计出版社，张子龙 生活垃圾焚烧飞灰无害化处理及资源化利用研究 广东化工，（）：，（）：王博涛，董思涵，刘天成 某垃圾焚烧飞灰理化性质检测及毒性浸出试验研究 安全与环境学报，（）：张进武 水处理絮凝剂研究现状与前景 山西化工，（）：赵君，任俊鹏，周进康，等 高分子絮凝剂的研究进展 化工技术与开发，（）：叶涛，石瑞瑞，鹿燕，等 水处理剂聚硫酸铝铁研究进展 精细与专用化学品，（）：马欣 粘土改性钛基絮凝剂的制备及其黑臭水体试验研究 济南：济南大学，：斯钦德力根，崔协力，苏日古嘎 不同 （）（）复合型聚合硫酸铝铁絮凝剂的合成及其性能表征 内蒙古石油化工，（）：郝好 聚合硫酸铝钛的制备及其絮凝性能的研究 兰州：兰州交通大学，：段海涛，姚婷，黄安群，等 设计响应面法优化啤酒花中 酸及 酸超声提取工艺 动物营养学报，（）：王志科，王刚，徐敏，等 响应面法优化制备二硫代羧基化胺甲基聚丙烯酰胺 中国环境科学，（）：侯黎爽，谷守玉，侯翠红，等 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