改性粉煤灰处理氨氮废水的研究

论文摘要

粉煤灰是燃煤电厂、冶炼、化工等行业中煤粉高温燃烧后形成的产物,也是我国排放量最大的工业固体废弃物之一。粉煤灰在形成过程中产生了一定的多孔结构和较大的比表面积,具有一定的吸附能力,因而被广泛用于废水处理。近年来,氨氮废水严重危害水环境质量和人类健康。随着氨氮废水排放标准中氨氮排放浓度指标的不断降低,对低浓度氨氮废水的治理技术要求越来越高,使用固体废弃物粉煤灰处理低浓度氨氮废水得到研究人员的广泛关注。目前主要的研究是通过采用氢氧化钠、硫酸、表面活性剂等物质对粉煤灰进行改性处理,提高粉煤灰对重金属废水、印染废水等废水的处理能力。但在用改性粉煤灰处理低浓度氨氮废水的报道中,氨氮的去除率不超过45%。如何提高粉煤灰对氨氮的去除率成为摆在研究人员面前的难题。本文以山西省太原市第一热电厂的粉煤灰为原料,首先对原料粉煤灰物理性质、化学性质、吸附性能参数进行全面分析；再以碳酸钠和氢氧化钠为改性剂,以低浓度氨氮废水为处理对象,研究改性方法和改性工艺条件。主要研究为：（1）粉煤灰原料性质分析。将电厂的粉煤灰进行分级处理,收集200目筛下物作为实验原料。通过激光粒度粒形分析仪、扫描电镜、X射线衍射仪、X射线荧光光谱仪、比表面积分析仪及纳氏试剂分光光度法对粉煤灰原料的粒度、形貌、矿物组成、化学成分及吸附性能进行分析研究,结果表明：原料的粒度主要分布在0.77μm-8.05μm之间；其颗粒呈较为规则的球形,球体与球体之间有空隙,是粉煤灰具有一定吸附性能的物质基础；粉煤灰的主要矿物组成包括玻璃相和晶体物质,晶体物质主要为莫来石和石英；其主要化学成份是Si02和A1203,主要以玻璃相、莫来石和石英的形式存在,且性质稳定,不易参加反应；原料具有一定的比表面积和较小的阳离子交换容量,因此对废水中的氨氮具有一定的吸附能力,但吸附能力有限,对氨氮废水的去除率仅为14%。（2）粉煤灰改性方法的研究。采用碳酸钠煅烧水热合成改性、氢氧化钠水热合成改性和氢氧化钠煅烧水热合成改性三种改性方法分别对粉煤灰原料进行改性处理,通过XRD、SEM、BET分别对三种方法改性后的粉煤灰表征,XRD结果表明：采用碳酸钠煅烧水热合成改性后的粉煤灰形成了霞石和Na7Al7SiO16新物质；采用氢氧化钠水热合成改性后的粉煤灰中A1203的特征峰消失,并溶出大量的Si02,形成了多孔结构；采用氢氧化钠煅烧水热合成改性后的粉煤灰形成了类沸石的新物质和多孔结构。通过SEM观察到改性后的粉煤灰表面变得粗糙,采用BET测试发现粉煤灰经过改性后,比表面积都有不同程度的提高,分别从未改性的0.16 m2/g提高至1.046、7.216、275.708 m2/g。将改性后的三种粉煤灰用于处理100mg·L-1氨氮废水,去除率分别为：44%、58%、94%。实验证明粉煤灰通过碱改性,可以提高其活性和处理氨氮废水的能力,其中以氢氧化钠煅烧水热合成改性的方法最佳。（3）氢氧化钠煅烧水热合成改性条件的研究。选取加碱量（0.2-1.2：1）、水热反应中固液比（1：1-5）和煅烧温度（200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、800℃）不同的改性条件,采用单因素实验的方法对氢氧化钠煅烧水热合成改性的方法进行了工艺条件的研究。结果表明,在氢氧化钠：粉煤灰为0.4：1低的加碱量条件下,处理氨氮废水的最优改性工艺条件为：固液比1：1,煅烧温度400℃。改性后的粉煤灰生成了沸石类物质,阳离子交换容量从原灰的5 mmol/100g增加到81mmol/100g,对氨氮的去除率可以达到90%。综合三种改性方法,以氢氧化钠煅烧水热合成改性方法的效果最好。通过对其改性工艺条件的研究,可以使氢氧化钠的添加量减少,并在低的煅烧温度下制备出吸附性能优良的改性粉煤灰,实现利用粉煤灰低成本高效处理氨氮废水,以废治废的目的。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 绪论
• 第一章 文献综述
• 1.1 粉煤灰在水处理方面的应用
• 1.1.1 粉煤灰处理重金属废水
• 1.1.2 粉煤灰处理焦化废水
• 1.1.3 粉煤灰处理含氟废水
• 1.1.4 粉煤灰在水处理应用方面存在的问题
• 1.2 粉煤灰的活化及改性技术研究现状
• 1.2.1 粉煤灰的活化技术现状
• 1.2.2 粉煤灰的改性技术现状
• 1.3 氨氮废水处理技术
• 1.3.1 生物法
• 1.3.2 吹脱法
• 1.3.3 折点氯化法
• 1.3.4 离子交换法
• 1.4 本论文的研究内容
• 第二章 粉煤灰原料的分析及研究方案的确定
• 2.1 粉煤灰原料性质分析
• 2.1.1 粉煤灰原料的物理性质分析
• 2.1.2 粉煤灰原料的化学性质分析
• 2.1.3 粉煤灰原料的性能分析
• 2.2 研究方案的确定
• 2.2.1 研究方案及技术路线
• 2.2.2 实验材料
• 2.2.3 实验仪器及装置
• 2.3 本章小结
• 第三章 粉煤灰改性方法的研究
• 3.1 实验材料
• 3.2 实验仪器
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 改性粉煤灰的制备
• 3.3.2 分析表征方法
• 3.3.3 改性粉煤灰处理氨氮废水的实验方法
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 改性粉煤灰的表征
• 3.4.2 改性粉煤灰的吸附性能
• 3.5 本章小结
• 第四章 氢氧化钠煅烧水热合成改性条件的研究
• 4.1 改性工艺流程
• 4.2 氢氧化钠添加量的研究
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 实验方法
• 4.2.4 结果与讨论
• 4.3 水热合成中固液比的研究
• 4.3.1 实验材料
• 4.3.2 实验仪器
• 4.3.3 实验方法
• 4.3.4 结果与讨论
• 4.4 煅烧温度的研究
• 4.4.1 实验材料
• 4.4.2 实验仪器
• 4.4.3 实验方法
• 4.4.4 结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论和建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 攻读硕士期间的成果及经历
• 致谢
• 个人简况及联系方式