第40卷 第2期 化 工 技 术 与 开 发 V ol.40 No.2 2011年2月 Technology & Development of Chemical Industry Feb.2011
粉煤灰除磷特性初探
孔思达，薛红琴，王睿
（南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210037）
摘 要：进行了粉煤灰吸附可溶性磷元素的实验研究。通过静态吸附实验，研究各个外部条件对粉煤灰吸附无机磷元素效果的影响对结果进行分析。实验表明，当粉煤灰投加量愈大、振荡强度愈强、溶液浓度愈低、反应时间愈长时滤料对待处理液中磷元素的去除率愈高。在初始浓度20mg·L -1,每40mL 溶液中加入1.3g 粉煤灰，处理40min,温度28.2,100r ℃·min -1条件下，去除率可以超过85%。而在处理低浓度废水时，粉煤灰也可用于工业废水处理，满足排放要求。
关键词：粉煤灰；吸附；含磷废水
中图分类号：X 703 文献标识码：A 文章编号：1671-9905(2011)02-0051-04
基金项目：南京林业大学大学生科技创新项目(编号200970)
作者简介：孔思达(1990-)，男，南京林业07级土木工程学院土木工程专业（给水排水工程方向）本科大四在读，邮箱：
kongsida@https://www.doczj.com/doc/3e11142685.html,
通讯联系人：薛红琴 收稿日期：2010-10-08
近年来，随着工农业的发展，特别是生活污水、工业废水和农药残留等原因，地表水中磷的浓度不断增加，引起藻类暴发、水质恶化，对生态环境和人们的日常生活造成严重威胁。但磷元素又是一种重要的资源，从各种观点看，从废水中去除和回收磷酸盐都是很有必要的。降低废水中的磷元素含量的方法很多，主要是生物处理方法和吸附方法。其中在吸附除磷领域的主要研究角度是吸附剂的选择、制备、回收和吸附流程的完善以及对吸附过程精确描述以达到进行高效人工控制的目的。
目前已研究应用的吸附方式有：使用凹凸棒土复合吸附剂[1]，用微波辐射制备无机复合吸附剂进行含磷废水的吸附，特点是失活的吸附剂在低的碱性溶液中很容易再生，故而可以循环利用；使用可变电荷土壤[2]，利用在我国南方的热带、亚热带地区大面积分布的酸性可变电荷土壤对磷酸根的很强的吸附和固定能力来进行吸附研究；原料来自农业秸秆[3~4]，将麦子秸、玉米秸秆等农业副产品进行化学改性后进行吸附研究，利用其原料的廉价性等因素获得实用价值；使用水合氧化铁[5]，以氯化铁为原料制备水合氧化铁吸附剂，通过多种技术进行处理吸附磷元素，其特点是：工艺成体系，流程完备（无二次污染），磷元素回收率和吸附剂回用率高。
而本文采用的是粉煤灰，来源于经过燃烧的煤渣，成本低廉。粉煤灰的堆放不仅占用大量的土地，且存在污染空气、土壤和地下水的潜在危害。粉煤灰是煤粉在悬浮燃烧条件下经受热面吸热后冷却形成的,在表面张力的作用下,其表面疏松多孔,比表面积大且具有活性基团和吸附特性,这就决定了粉煤灰在水处理中可以得到很好的利用。本实验专门考察粒径在0.074~0.25mm 之间的粉煤灰对磷元素的吸附性质与反应温度、浓度、时间以及滤料投加量等变量之间的相互关系，并在最后针对工业水处理排放[6]方面的适用性进行初步探索。
1 实验材料、方法
1.1 使用仪器与药品
752型紫外可见分光光度计，CHA-SA 数显气浴恒温振荡器，PHS-3型精密pH 计，Alpha_ Pure30Plus 增强型高纯水系统主机，GZX-9140MBE 数显鼓风干燥箱，精密天平。
KH 2PO 4（AR ）
，硫酸（AR ），抗坏血酸（AR ），酒石酸锑氧钾（CP ），四水和钼酸铵（AR ），粉煤灰滤料（0.074~0.25mm ）。 1.2 实验方法
化 工 技 术 与 开 发
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静态法：量取一定量的模拟废水（用化学试剂KH2PO4配制而成，浓度一定），于100mL锥形瓶中，加入一定量的粉煤灰颗粒，在一定的温度、转速下振荡一定时间。然后过滤，取清液按固定比例稀释后测量吸光度，最终根据已得的标准曲线计算吸附量及去除率。
1.3 标准曲线
在700nm处测定KH2PO4的“浓度——吸光度”标准曲线[7]，结果见图1。
图1 标准曲线
2实验过程与结果分析
2.1 振荡时间对吸附效果的影响
现取100mL磷酸盐贮备液移入250mL容量瓶中，加水稀释至标线，得到磷酸盐标准溶液250mL，磷元素浓度为2μg·mL-1。取5个反应瓶，在每个反应瓶中加入40mL标准溶液和0.5g粉煤灰，同时放入气浴振荡箱，常温震荡，反应温度36℃，转速设为100r·min-1。振荡时间依次为（min）：15、35、55、75、95。各反应瓶振荡完成后即从箱中取出，将处理液过滤，取1mL清液移入50mL比色管中，加水稀释至50mL，而后以标准操作测量其700nm 波长处以零浓度溶液作为参比的吸光度，进而推算处理率。结果见图2。
图2 振荡时间对吸附效果的影响
这组数据说明粉煤灰对可溶性磷元素的吸附量随着震荡时间的增长而增加，达到平衡较快，而且在达到平衡之前并没有什么异常情况。据此，我们取定以40min为标准吸附时间。
2.2 滤料投加量对吸附效果的影响
依照2.1方法准备5瓶未加滤料标准待处理样。而后分别加入的粉煤灰质量依次为（g）：0.6、0.8、1.0、1.3、1.6。将上述试样同时放入振荡箱中，设置为100r·min-1，室温28℃振荡，时间为40min。完成后依照2.1方法测吸光度并推算去除率。结果见图3。
图3 粉煤灰投加量对吸附效果的影响
这组数据说明，粉煤灰吸附磷元素的效果随滤料投加量的增加而改善。考虑到粉煤灰达到平衡的速度较快，而且溶液本身浓度较高，所以认为至少在滤料投加量相对较低的0.6，0.8，1.0g三试样中，经过40min的处理，基本上已经达到了在此转速和温度下的最大磷吸附量。同时，根据本组数据，通过对吸附量的具体计算，可以假设在同一环境下（温度、转速、溶液浓度等），单位重量的滤料所能达到的平衡吸附量基本一致。
2.3 转速对吸附效果的影响
依照2.1方法准备5瓶已加粉煤灰标准待处理样，每瓶均含1g粉煤灰。在同一台振荡箱中，将各反应瓶依次进行常温振荡，振荡转速以此为（r·min-1）：0、50、100、150、200，各试样振荡前均加入1g滤料，室温28℃振荡40min。每完成一组，就依照2.1方法测吸光度并推算去除率。结果见图4。
图4 转速对吸附效果的影响
这组数据说明，粉煤灰吸附磷离子的效果随转速的增加而有显著改善。需要注意的是在静止状态下粉末状粉煤灰就已经吸附超过了一半以上的粉煤灰。根据本组数据和上一组滤料投加量组别数据相对照，我们可以看到振荡强度对粉煤灰吸附磷离
孔思达等：粉煤灰除磷特性初探53 第2期
子的平衡状态有很大影响。同时，我们取定以100r·min-1为标准振荡速度。
2.4 待处理液浓度对吸附效果的影响
仿照2.1方法准备5瓶已加粉煤灰标准待处理样，每瓶均含1g粉煤灰。只是含磷浓度分别为2、4、10、20、50μg·mL-1。室温26℃照前述标准条件进行反应并过滤。根据“反应前浓度相同”原则分别配置4份对照组，比色管中所加原液和处理液分别为10mL、5mL、2mL、1mL、0.4mL。依照2.1方法测吸光度并推算去除率。结果见图5。
图5 待处理液浓度对吸附效果的影响
这组数据说明，粉煤灰吸附磷离子的去除率基本随待处理液中磷离子浓度的降低而显著升高。经过计算，可以发现在磷元素充足（过量）的条件下，在一样的环境（温度、转速）下，单位质量的粉末状粉煤灰对磷元素的饱和吸附量是大致相同的。但同时应该注意到，在浓度不同的药液中，粉煤灰足够的条件下，磷元素的平衡浓度并不相同，考虑所有能引起差别的因素，预测是磷酸盐贮备液中所含一定量起稳定作用的硫酸在维持其最低磷元素含量，而浓度不同就导致磷元素最低平衡浓度不同，但其内部机理尚且需要进一步研究。
2.5 待处理液温度对吸附效果的影响
仿照2.1方法准备5瓶已加滤料标准待处理样，每瓶均含1g粉煤灰，含磷浓度20μg·mL-1，依次控制温度于70、60、50、40、30℃，在同一台仪器上依次以100r·min-1振荡40min，每完成一个即照2.1方法测吸光度并推算去除率。结果见图6。
图6 待处理液温度对吸附效果的影响
这组数据说明，粉煤灰吸附磷离子的去除率基本随反应温度的升高而显著升高。可以确定粉煤灰吸附磷离子是吸热反应。或者也可以说，在其他条件(反应时间、振荡强度、药液浓度、滤料投加量)相同的条件下，磷元素的平衡浓度随温度的升高而下降。
2.6 粉煤灰除磷应用
现今社会中需要对可溶性磷元素进行处理的行业有很多，其中极为重要的一项就是工业水处理排放方面。而和我国法规规定的排放标准相比，在吸附高浓度溶液时即使有充分的粉煤灰也很难达到规范浓度，这其中原因复杂，笔者推测可能有硫酸稳定的作用（每L标准贮备液含5mL 1:1的浓硫酸，参见文献[7]），但具体机理尚有待进一步研究。但是，在处理低浓度磷酸盐溶液时，我们得到以下数据。
依照2.1方法准备5瓶未加滤料标准待处理样，浓度2μg·mL-1，每锥形瓶含1g粉煤灰，调制100r·min-1，震荡时间依次为（min）：15、35、55、75、95。室温27.2℃振荡。完成后依照2.1.1方法测吸光度并推算去除率，结果见图7。
图7 振荡时间对吸附效果的影响
再依照2.1方法准备5瓶未加滤料标准待处理样。而后分别加入的粉煤灰质量依次为（g）：0.4、0.6、0.8、1.0、1.2。将上述试样同时放入振荡箱中，设置为100r·min-1，室温28℃振荡，时间为40min。完成后依照2.1方法测吸光度并推算去除率，结果见图8。
图8 粉煤灰投加量对吸附效果的影响
以上两组数据说明，在处理低浓度溶液时，粉煤灰可以作为吸附剂以达到工业水处理排放标准，而且从数据曲线来看，使用粉煤灰处理低浓度废水还有所需震荡时间短，性质稳定，所需投加量低的
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优点，具有应用价值。
3 结论
本实验表明，在粉煤灰处理含磷待处理液过程中，粉煤灰与溶液的接触振荡时间，振荡的强度，滤料的投加量，溶液初始浓度，均对磷元素的去除率有很大影响。粉煤灰直接吸附可溶性磷元素这一方式的优点有:未经化工处理等工序，成本更加低廉；对磷离子的吸附量大；在相对较低的震荡强度下达到反应平衡更快；在处理高浓度磷溶液时粉煤灰吸附量相对稳定，易于控制；在处理低浓度溶液时使用粉末状粉煤灰可以达到较高去除率并符合工业水处理排放标准。
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北京:中国环境科学出版社, 2002.
Adsorption of Soluble and Inorganic Phosphorus by Fly Ash
KONG Si-da, XUE Hong-qin, WANG Rui
(Department of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)
Abstract: Raw fly ash was selected to absorb soluble phosphorus. By static adsorption experiments, various external conditions on the fly ash effect of inorganic phosphorus and analysis of experimental results was studied. Experiments showed that when increased the fly ash dosage, strengthened oscillator strength, and the lower concentration, longer reaction time, the removal rate of phosphorus in the treatment liquid was higher. When the initial concentration was 20mg/L, 1.3g /40mL solution by adding fly ash, processing 40min, temperature of 28.2 , 100r/min, the removal rate could reached 85%.
℃In the treatment of low strength wastewater, fly ash could also be used for industrial wastewater treatment to meet the emission requirements.
Key words: fly ash; adsorption; phosphorus wastewater
(上接第62页)
应急救援的一般处置程序，周密计划，精心组织，科学指挥，严密实施，确保万无一失，最大限度地减少人员伤亡。
参考文献:
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Emergency Response of Dangerous Chemicals Fire Accident
LIAO Zhang-qing
（Nanning Economic Technical Development Zone of Administration, Nanning 530031, China）