超声波协同碱改性飞灰并探究对Mn2+的吸附.pdf

随着城市化进程的加快，生活垃圾焚烧飞灰的产量日渐增多，将飞灰改性为吸附剂成为飞灰资源化的途径之一 通过超声波协同碱改性飞灰，并探究其对 的吸附效果，通过 、等方法对材料进行表征 结果表明：当添加剂为 （）、碱灰比 、超声波处理功率 、超声波时间 时，改性飞灰对 吸附去除率达到 吸附等温模型、动力学模型结果表明飞灰对 的吸附过程符合 单分子层吸附和二级动力学吸附过程关键词：飞灰；超声波；改性；重金属吸附中图分类号：文献标志码：文章编号：（）飞灰来自生活垃圾焚烧后在烟气净化等系统中收集的焚烧残余物，包括吸收塔飞灰和除尘器飞灰（烟道灰、加入的化学反应物及化学药剂等），形态多样且一般粒径小于 ，含水率较低 因含有高浓度的氯元素、大量 、等重金属元素，以及痕量的二英类物质（），被列入 国家危险废物名录（），编号 ，危险特性 由于飞灰同时具有持久性有机污染物特性和重金属危害特性，对人体具有较强的非致癌和致癌风险 因飞灰含有钙、硅、铝、铁的氧化物，氯盐及硫、磷元素等，故目前的资源化利用方式为替代原料用于建材产品生产 经过处理后的飞灰还可以作为生产水泥的原材料、烧制陶粒轻骨料以及制备水泥混凝土、吸附剂、污泥调理剂、复合材料的填料等 例如，王文霞 利用飞灰在常温下合成沸石用于废水中重金属 、和 的吸附脱除，脱除率可达到 以上由于超声波具有很强的定向性，能量大、穿透性强，因此在现代军事、医学、生活、工业、环境等各个领域都有广泛的应用，例如超声检测、超声清洗、超声波制药、物质合成等 但目前超声波协同飞灰吸附工艺本身的研究比较少 为了加强对飞灰资源化利用途径的研究，文中借助超声波的机械、空化等作用协同 （）对飞灰进行改性，探究改性后的飞灰对重金属离子 的吸附情况，为飞灰的资源化利用提供实验基础 材料与方法 材料与试剂飞灰取自昆明某垃圾焚烧厂，该厂采用机械炉排炉，其处理能力 ，采用“半干式 活性炭吸附 袋式除尘”烟气净化工艺 实验试剂有氢氧化钠（）、氢氧化钙（）、硝酸铅（）、硝酸锰溶液（）、硝酸（）、盐酸（），均为分析纯试剂，均购自于天津市致远化学试剂有限公司 实验仪器有 系列电热恒温振荡水槽、筛子、烧杯、玻璃棒、容量瓶、锥形瓶、试纸、移液枪、电子天平、烘箱等 飞灰制备吸附剂将飞灰与添加剂按照一定比例加入到容器中，添加去离子水，搅拌均匀，放入超声波仪器中反应 超声处理结束后的混合物进行过滤，烘干，研磨，过 筛 吸附实验称取适量飞灰吸附剂于玻璃仪器中，加入 重金属离子溶液，调节 值后，放置 系列电热恒温振荡水槽中振荡，振荡结束后，将混合物进过滤、硝酸酸化后置于冰箱 下保存，待测 表征仪器的参数溶液中 、采用火焰原子吸收分光光度计（岛津 ，上海硅仪生化科技有限公司）测定 样品的化学组成采用 线荧光光谱仪（，岛津（上海）实验器材有限公司）测定 样品的物相组成采用 线衍射仪 ，德国 公司）测定 样品的微观形貌采用扫描电镜（，美国 公司）测定 样品的官能团采用傅里叶红外光谱仪（，美国尼高力公司）分析 结果图 不同实验条件下超声波处理飞灰后吸附 的影响 吸附剂制备条件的选择图 为飞灰在不同实验条件下进行超声波处理后对 的吸附情况 由图（）可知，飞灰在没有经过任何处理时，溶液中 的吸附去除率极低，仅有 在加入超声波处理后，吸附去除率增大到 ，这主要是在超声波的空化作用辅助下，改性飞灰的结构进一步破碎，呈更疏松状态，增加了飞灰的活化效应和热效应 再经超声波协同 （）处理之后，的吸附去除率达到了 这可能是碱性激发作用、反极化作用的协同效应所导致 碱性激发作用破坏了飞灰的硅酸盐玻璃网络结构，使其发生解聚，的反极化作用将 从硅酸盐结构上解聚下来，使飞灰表面新增断键，增强其表面活性，又与硅氧阴离子相互吸引，发生水合反应，生成粗大的纤维状凝胶体 水合硅酸铝盐，保持了飞灰钙基表面的润湿性，从而提高吸附性能 同时由于飞灰比表面积大、多孔、具有一定的活性基团，且与 （）具有协同作用，更易将污水中的染料、表面活性剂、重金属离子去除 从图中（）可以看出，随着碱灰比的增大，的吸附去除率出现先上升再下降，从 上升到 ，在碱灰比为 时达到了最大值，再下降到第 期赵维维，王博涛，刘天成：超声波协同碱改性飞灰并探究对 的吸附 这可能是 （）激发了飞灰的潜在活性，使 、键在水化反应中断裂，但 （）含量过高则会堵塞飞灰吸附孔道，降低吸附性能 从图中（）可以知道随着超声波功率的增加，的吸附去除率出现先减少再增加的趋势，在超声波功率为 时，达到最大值 因超声波具有一定的能量，作用于反应体系时，溶液与固体颗粒吸收了能量，使得飞灰颗粒持续振动，破坏了飞灰颗粒的表面结构，增大接触面积，使飞灰吸附性能增大 从图中（）可以看出，随着超声波处理时间的增加，的吸附去除率出现先增加再减少的趋势，在超声波时间为 时达到最大值，为 故综合考虑，在后续实验中选择改性条件为 （）作为添加剂、碱灰比为 、超声波功率为 、超声波时间为 重金属离子吸附选择 （）为添加剂、碱灰比为 、超声波处理功率为 、超声波处理时间为 为最佳实验条件制备吸附剂，并对浓度为 进行吸附实验，结果如下图 为飞灰吸附剂对 的吸附情况 从图中可以知道，随着飞灰吸附剂剂量的增加，吸附去除率均呈现平缓上升的趋势，从 、上升到 吸附容量均出现相反的趋势，从 下降到 ，当吸附剂剂量为 时，吸附容量有小幅度的增加，从 增加到 从经济方面考虑，选择吸附剂剂量为 进行后续实验图 飞灰吸附剂对 的吸附情况 吸附等温模型、动力学吸附模型采用浓度为 、和 溶液，将 飞灰吸附剂与 溶液混合，充分吸附达到平衡后进行溶液分离、检测，其他实验条件与前述一致 方程：（）方程：为单位吸附剂的最大吸附量（）；为吸附容量（）；为吸附溶液的平衡浓度（）；、为吸附平衡常数从吸附等温拟合参数（见表 ）、拟合曲线图（见图 ）可以看出，拟合曲线的 值更接近于 ，对实验数据的拟合度更好一些 说明吸附剂表面结构均匀，对 的吸附既有化学吸附，又有物理吸附，属于单分子层的吸附 根据 拟合参数可以知道飞灰吸附剂对溶液中 的最大吸附量为 表 、吸附等温线拟合参数 拟合参数 拟合参数（）（）（）（）云南民族大学学报（自然科学版）第 卷准一级动力学方程：（）准二级动力学方程：为吸附平衡时的吸附容量（）；为 时刻的吸附容量（）；、为吸附等温模型中的反应速率常数从动力学拟合参数（见表 ）、拟合曲线图（见图 ）可以看出，二级动力学拟合曲线的 值更接近于 ，这说明准二级吸附动力学模型能更好的模拟飞灰吸附剂对 的吸附过程，也说明飞灰吸附剂对 的吸附是以化学吸附为主图 、吸附等温线拟合图表 一级、二级吸附动力学拟合参数一级 二级（）（）（）（）图 一级、二级吸附动力学拟合图 讨论与分析 分析从表中可以看出，原始飞灰中，、和 含量较多，占总体组分的 ，这是因为一般烟气净化系统会选择喷入大量的石灰来去除烟气中的酸性气体，导致石灰与烟气的反应产物和反应过剩的石灰中会含有较多的 流化床焚烧炉在运行过程中会掺杂一定量的煤与垃圾混烧，煤的焚烧产物进入流化床飞灰导致 的含量偏高 超声波协同 （）改性飞灰后，的含量增加了 ，和第 期赵维维，王博涛，刘天成：超声波协同碱改性飞灰并探究对 的吸附 的含量均有少量减少 这是 的反极化作用使 键发生断裂，从玻璃网络上解聚下来 经过碱改性后，飞灰表面的 被解离，负电荷增加，进而更易吸附金属阳离子 表 飞灰、飞灰吸附剂吸附前、飞灰吸附剂吸附后 测试结果 元素质量含量原始飞灰飞灰吸附剂吸附前飞灰吸附剂吸附后 其他 分析从图 中可以看出，原始飞灰中主要物相组成为 和 ，这与 的结果大致相同 经过添加 （）与超声波处理后，的衍射峰逐渐增强，同时还出现了 （）的衍射峰，这说明 （）改性飞灰主要是通过物理结构的改变而非物相组成的改变使 吸附容量得到提升 在进行重金属的吸附之后，（）衍射峰消失了，这说明在吸附过程中主要是 （）、超声波和飞灰的协同作用促进了 的吸附 但相较 的结果来说，在 的图谱中并未有关 的衍射峰，这可能是因为重金属在飞灰中以铝硅酸盐或者硅酸盐中的复杂化合物存在，也可能是重金属在飞灰中没有结晶体，以非晶相态存在，因此很难用 的方法检测到 图 原始飞灰、飞灰吸附剂吸附前和吸附后的 图谱 分析从图 可以看出，原始飞灰表面是不规则针状、片状和块状的聚合体，表面粗糙，较大的片状之间空隙较大，填充有较小的块状颗粒 在经过处理后，飞灰颗粒表面粗糙且存在大量的孔隙，组织结构松散 这是由于超声波振荡传播对飞灰灰产生机械破碎作用，从而飞灰的内部断裂面增多，孔道增加，堵塞孔隙的杂质被剔除，因此吸附能力有所提高 在进行重金属吸附实验后，总体较为粗糙，有球形颗粒及其他不规则碎颗粒且颗粒之间结合较为紧密，堆积成团 这说明溶液中的 被很好的吸附在飞灰表面 分析从图 中可以知道，原始飞灰中 和 处分别为 的非对称和对称伸缩振云南民族大学学报（自然科学版）第 卷动峰，处是 的伸缩振动峰，经过超声波协同 （）改性后，在 处出现了新的衍射峰，可能是超声波辐照和飞灰表面相互作用产生了 基团，而 基团是一种低选择性、高活性的物质，对多数污染物具有良好的降解能力，因此提高了吸附性能 在重金属吸附后，在 处衍射峰消失了，说明吸附剂对 的吸附过程有羟基的参与，溶液中 与其发生配位络合作用，使振动峰发生了变化(a)(b)(c)图 原始飞灰（）、改性飞灰吸附前（）和吸附后（）放大 倍的 图图 原始飞灰、飞灰吸附剂吸附前和吸附后 图谱 结语文中通过超声波协同碱改性飞灰制备吸附剂，并探究了吸附剂对 的吸附 结果表明制备吸附剂的最佳条件为：添加剂为 （）、碱灰比 、超声波功率 、超声波时间 飞灰对 吸附去除率达到了 吸附等温模型、动力学吸附模型研究结果表明飞灰吸附剂对 的的吸附符合 单分子吸附过程和二级动力学吸附过程 表征结果表明由于超声波的空化作用、的反极化作用以及产生的 基团共同作用使飞灰内部的断裂面增多，孔道增加，促进了飞灰的吸附性能参考文献：倪海凤，旦增，周鹏，等 国内城市生活垃圾焚烧飞灰研究现状及进展 再生资源与循环经济，（）：江云峰，曾照群 生活垃圾焚烧飞灰主要处理技术综述 广东化工，（）：罗任宏，李菁若，张东长，等 生活垃圾焚烧飞灰的资源化利用概况 环境影响评价，（）：朱延臣，顾军 生活垃圾焚烧飞灰主要处置技术及其发展趋势 中国环保产业，（）：，（）：王文霞飞灰湿式研磨对重金属吸附、固化的机理研究 华中科技大学，刘金英超声波处理垃圾焚烧飞灰后重金属固化与其吸附性能的研究 浙江大学，欧阳平，范洪勇，张贤明，等 基于吸附的粉煤灰改性机理研究进展 材料科学与工程学报，（）：第 期赵维维，王博涛，刘天成：超声波协同碱改性飞灰并探究对 的吸附 ，（），（）：张丰如，林瑜，许岳鹏，等 改性粉煤灰处理校园生活污水试验研究 山东化工，（）：欧阳平，杜杰，张贤明，等 吸附材料改性研究进展 应用化工：，（）：王景芸碱改性粉煤灰对印染废水的脱色处理研究 粉煤灰综合利用，（）：，（）：，（），（）：于峥，王琼，罗铮，等 粉煤灰对水中铅镉的吸附特性和机理研究 包装学报，（）：蒋旭光，陈钱，赵晓利，等 水热法稳定垃圾焚烧飞灰中重金属研究进展 化工进展，（）：章骅，于思源，邵立明，等 烟气净化工艺和焚烧炉类型对生活垃圾焚烧飞灰性质的影响 环境科学，（）：胡雪筠，蒋娟，龙云川，等 酸改性粉煤灰 吸附效应及机制探究 贵州科学，（）：，：，（）：陈岚，权宇珩，李志勇，等 超声波辅助粉煤灰去除水中亚甲基蓝染料的动力学分析 化工学报，（）：，（，；，）：，（），：；（责任编辑王煜丹）云南民族大学学报（自然科学版）第 卷