CN113735235A - 一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂及制备方法、应用和再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于混凝剂技术领域，公开了一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂及制备方法、应用和再生方法。本发明将粉煤灰使用浓度为0.5～2mol/L的氢氧化钠溶液进行改性，并将改性粉煤灰与γ‑Fe₂O₃混合，得到粉煤灰基磁混凝剂。本发明利用氢氧化钠对粉煤灰进行改性处理，有助于粉煤灰中硅、铝材料的分解，使Si‑O和Al‑O键松弛，增加粉煤灰的吸附能力，提高粉煤灰对废水中重金属的吸附效果。且使用的氢氧化钠浓度低、用量少，制得的磁混凝剂在去除污水中悬浮物、污染物、降低浊度的同时，还可实现对于重金属铅离子的良好吸附效果，且再生后对于铅的去除率仍可达94％以上，磁混凝剂的重复再生性能较好，生产成本低。

Description

一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂及制备方法、应用和 再生方法

技术领域

本发明涉及混凝剂技术领域，尤其涉及一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂及制备方法、应用和再生方法。

背景技术

粉煤灰是锅炉燃煤过程中产生的飞灰，其主要成分为SiO₂和Al₂O₃，还有少量的Fe₂O₃、CaO、MgO等。目前我国燃煤电厂的粉煤灰的产生量巨大，但粉煤灰的利用率相对较低，主要用于建筑材料领域，大量粉煤灰的堆积会污染环境以及造成资源浪费，因此，拓宽粉煤灰的资源化利用途径具有重要研究意义。

粉煤灰是经过高温煅烧的产物，其表面是不规则的多孔结构，该结构为容纳有机物、无机物、大分子聚合物等物质提供了可能，对粉煤灰进行改性处理优化其结构组成后，可作为絮凝剂吸附污水中的悬浮物、有色物质耗氧物质等。然而，目前现有技术对粉煤灰进行改性时酸或碱的用量过高，且需要大量外加剂，造成了新的环境问题。例如，专利CN03110906.3公开了一种使用粉煤灰制备废水处理用的吸附剂的方法，其将35～70份重量的粉煤灰使用0.5～3M的30～60重量份的硫酸在60～90℃酸化1～3小时，该吸附剂虽然可以实现去除废水中的COD、降低色度等效果，但是活化温度高、时间长，酸用量较高，造成了其他环境问题的出现。又如，专利201810479670.4由粉煤灰制备了聚硅酸铝铁复合混凝剂，其高温煅烧活化后进行酸浸、碱浸，在过程中还需补充铁源、铝源等外加剂以维持硅、铝、铁的比例，步骤复杂，且外加剂较多，使混凝剂的生产成本较高，但混凝剂的去浊效果并不理想。

因此，亟需提供一种制备方法简单易操作、对环境污染小且废水处理效果好的粉煤灰基磁混凝剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂及制备方法、应用和再生方法，解决现有技术提供的粉煤灰基磁混凝剂制备方法复杂，重金属废水处理效果不佳、重复再利用性能差的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将粉煤灰使用浓度为0.5～2mol/L的氢氧化钠溶液进行改性，得到改性粉煤灰；

(2)将改性粉煤灰与γ-Fe₂O₃混合，得到粉煤灰基磁混凝剂。

优选的，在上述一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法中，所述步骤(1)中粉煤灰和氢氧化钠溶液的质量体积比为0.5～2g：2～4mL。

优选的，在上述一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法中，所述步骤(1)中改性温度为25～60℃，时间为50～70min。

优选的，在上述一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法中，所述步骤(2)中改性粉煤灰和γ-Fe₂O₃的质量比为4～6:1～2。

优选的，在上述一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法中，所述步骤(2)中γ-Fe₂O₃的粒径为20～30nm。

优选的，在上述一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法中，所述步骤(1)中在改性前还包括对粉煤灰进行筛选和干燥处理，所述筛选后粉煤灰粒径小于61μm，所述干燥温度为100～110℃，干燥时间为1～2h。

本发明还提供了一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法制得的一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂。

本发明还提供了一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的应用，所述粉煤灰基磁混凝剂用于处理含Pb²⁺废水；

其中，废水的pH为3～6，废水中Pb²⁺初始浓度为20～30mg/L，粉煤灰基磁混凝剂和废水的质量体积比为1～10g：100mL，处理时间为30～50min。

本发明还提供了一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的再生方法，包括以下步骤：

将处理含铅废水后的粉煤灰基磁混凝剂用水洗涤3～5次，于100～110℃干燥1～2h，再使用1～1.5mol/L的硝酸在室温下进行脱附再生20～60min，用水洗涤3～5次，于100～110℃干燥1～2h，得到再生粉煤灰基磁混凝剂。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明利用氢氧化钠对粉煤灰进行改性处理，有助于粉煤灰中硅、铝材料的分解，使Si-O和Al-O键松弛，增加粉煤灰的比表面积以及吸附活性位点，且与改性粉煤灰相结合的γ-Fe₂O₃中含有大量微孔，进一步提高磁混凝剂对废水中Pb²⁺的吸附效果。本发明使用低浓度且较少量的氢氧化钠溶液即可实现粉煤灰的改性，制得的磁混凝剂在去除污水中悬浮物、污染物、降低浊度的同时，还可实现对于重金属铅离子的良好吸附效果，且再生后对于铅的去除率仍可达94％以上，磁混凝剂的重复再生性能较好，生产成本低。

具体实施方式

本发明提供一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将粉煤灰使用氢氧化钠溶液进行改性，得到改性粉煤灰；

(2)将改性粉煤灰与γ-Fe₂O₃混合，得到粉煤灰基磁混凝剂。

在本发明中，步骤(1)中粉煤灰和氢氧化钠溶液的质量体积比优选为0.5～2g：2～4mL；进一步优选为1～1.8g：2.3～3mL；更优选为1g：3mL。

在本发明中，步骤(1)中氢氧化钠溶液浓度优选为0.5～2mol/L；进一步优选为0.8～1.7mol/L；更优选为1mol/L。

在本发明中，步骤(1)中改性温度优选为25～60℃，时间优选为50～70min；进一步优选的，改性温度为36～52℃，时间为53～62min；更优选的，改性温度为45℃，时间为55min。

在本发明中，步骤(1)中在改性前还包括对粉煤灰进行筛选和干燥处理；其中，筛选后粉煤灰粒径小于61μm；干燥温度优选为100～110℃，进一步优选为110℃，干燥时间优选为1～2h，进一步优选为1h。

在本发明中，步骤(1)中在改性后还包括对改性粉煤灰进行洗涤、干燥、细化处理；其中，洗涤优选为用水洗涤3～6次，进一步优选为用水洗涤5次；干燥温度优选为100～110℃，进一步优选为100℃，干燥时间优选为1～2h，进一步优选为2h；细化方法优选为进行研磨，研磨后粒径小于30μm。

在本发明中，步骤(2)中改性粉煤灰和γ-Fe₂O₃的质量比优选为4～6:1～2；进一步优选为5:2。

在本发明中，步骤(2)中γ-Fe₂O₃的粒径优选为20～30nm；进一步优选为20nm。

本发明还提供一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法制得的一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂。

本发明还提供一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的应用，将粉煤灰基磁混凝剂用于处理含Pb²⁺废水；

其中，废水的pH为3～6，废水中Pb²⁺初始浓度优选为20～30mg/L，进一步优选为25mg/L；粉煤灰基磁混凝剂和废水的质量体积比为1～10g：100mL，进一步优选为1.4g：100mL；处理时间为30～50min，进一步优选为30min。

本发明还提供一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的再生方法，包括以下步骤：

将处理含铅废水后的粉煤灰基磁混凝剂用水洗涤3～5次，于100～110℃干燥1～2h，再使用硝酸在室温下进行脱附再生，用水洗涤3～5次，于100～110℃干燥1～2h，得到再生粉煤灰基磁混凝剂。

在本发明中，硝酸浓度优选为1～1.5mol/L；进一步优选为1mol/L。

在本发明中，处理含铅废水后的粉煤灰基磁混凝剂硝酸的质量体积比为0.5～3g：10～40mL；进一步优选为0.8～2g：20～35mL；更优选为1g：30mL。

在本发明中，脱附再生时间优选为20～60min；进一步优选为24～55min；更优选为30min。

在本发明中，干燥后的再生粉煤灰基磁混凝剂进行细化处理，细化处理优选为进行研磨，研磨后粒径小于30μm。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种粉煤灰基磁混凝剂，其制备方法包括以下步骤：

(1)将粉煤灰使用240目筛网进行筛选，将筛下物于110℃干燥1h，得到干燥粉煤灰；

(2)将20g干燥粉煤灰与60mL 1mol/L的氢氧化钠溶液于45℃进行搅拌改性55min，改性结束后进行抽滤，将产物用水洗涤5次，置于烘箱中于100℃干燥2h，研磨至粒径小于30μm，得到改性粉煤灰；

(3)将改性粉煤灰与γ-Fe₂O₃按质量比5:2进行混合，得到粉煤灰基磁混凝剂。

使用上述粉煤灰基磁混凝剂对含Pb²⁺重金属废水处理方法为：

重金属废水体积为100mL，其中Pb²⁺初始浓度为25mg/L，粉煤灰基磁混凝剂和重金属废水的质量体积比为1.4g：100mL。将重金属废水的pH调节为5，加入粉煤灰基磁性混凝剂，振荡30min后，使用安捷伦200SeriesAA火焰原子吸收光谱仪进行测定，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为0.42mg/L，去除率为98.32％。

实施例2

本实施例提供一种粉煤灰基磁混凝剂，其制备方法包括以下步骤：

(1)将粉煤灰使用240目筛网进行筛选，将筛下物于100℃干燥1.2h，得到干燥粉煤灰；

(2)将20g干燥粉煤灰与40mL 0.6mol/L的氢氧化钠溶液于33℃进行搅拌改性54min，改性结束后进行抽滤，将产物用水洗涤3次，置于烘箱中于106℃干燥2h，研磨至粒径小于30μm，得到改性粉煤灰；

(3)将改性粉煤灰与γ-Fe₂O₃按质量比4.8:2进行混合，得到粉煤灰基磁混凝剂。

使用上述粉煤灰基磁混凝剂对含Pb²⁺重金属废水处理方法为：

重金属废水体积为200mL，其中Pb²⁺初始浓度为20mg/L，粉煤灰基磁混凝剂和重金属废水的质量体积比为8g：100mL。将重金属废水的pH调节为4，加入粉煤灰基磁性混凝剂，振荡35min后，使用安捷伦200SeriesAA火焰原子吸收光谱仪进行测定，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为0.58mg/L，去除率为97.1％。

实施例3

本实施例提供一种粉煤灰基磁混凝剂，其制备方法包括以下步骤：

(1)将粉煤灰使用240目筛网进行筛选，将筛下物于102℃干燥1.5h，得到干燥粉煤灰；

(2)将20g干燥粉煤灰与80mL 1.7mol/L的氢氧化钠溶液于45℃进行搅拌改性70min，改性结束后进行抽滤，将产物用水洗涤4次，置于烘箱中于110℃干燥1h，研磨至粒径小于30μm，得到改性粉煤灰；

(3)将改性粉煤灰与γ-Fe₂O₃按质量比5.5:1.5进行混合，得到粉煤灰基磁混凝剂。

使用上述粉煤灰基磁混凝剂对含Pb²⁺重金属废水处理方法为：

重金属废水体积为100mL，其中Pb²⁺初始浓度为30mg/L，粉煤灰基磁混凝剂和重金属废水的质量体积比为10g：100mL。将重金属废水的pH调节为6，加入粉煤灰基磁性混凝剂，振荡60min后，使用安捷伦200SeriesAA火焰原子吸收光谱仪进行测定，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为0.89mg/L，去除率为97.03％。

实施例4

本实施例提供一种再生粉煤灰基磁混凝剂，其制备方法包括以下步骤：

将20g实施例1处理含铅废水后的粉煤灰基磁混凝剂用水洗涤4次，置于烘箱中于110℃干燥1h后，再使用600mL 1mol/L硝酸在室温下进行搅拌脱附再生30min，然后将产物用水洗涤3次，置于烘箱中于110℃干燥1h，研磨至粒径小于30μm，得到再生粉煤灰基磁混凝剂。

使用上述再生粉煤灰基磁混凝剂对含Pb²⁺重金属废水处理方法，参见实施例1，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为1.3mg/L，去除率为94.8％。

实施例5

本实施例提供一种再生粉煤灰基磁混凝剂，其制备方法包括以下步骤：

将30g实施例2处理含铅废水后的粉煤灰基磁混凝剂用水洗涤4次，置于烘箱中于100℃干燥1.5h后，再使用400mL 1.3mol/L硝酸在室温下进行搅拌脱附再生50min，然后将产物用水洗涤4次，置于烘箱中于110℃干燥1h，研磨至粒径小于30μm，得到再生粉煤灰基磁混凝剂。

使用上述再生粉煤灰基磁混凝剂对含Pb²⁺重金属废水处理方法，参见实施例2，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为1.23mg/L，去除率为93.85％。

实施例6

本实施例提供一种再生粉煤灰基磁混凝剂，其制备方法包括以下步骤：

将20g实施例3处理含铅废水后的粉煤灰基磁混凝剂用水洗涤4次，置于烘箱中于110℃干燥2h后，再使用400mL 1.5mol/L硝酸在室温下进行搅拌脱附再生60min，然后将产物用水洗涤3次，置于烘箱中于107℃干燥1.8h，研磨至粒径小于30μm，得到再生粉煤灰基磁混凝剂。

使用上述再生粉煤灰基磁混凝剂对含Pb²⁺重金属废水处理方法，参见实施例3，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为1.66mg/L，去除率为94.47％。

对比例1

本对比例提供一种粉煤灰基磁混凝剂，其制备方法参见实施例1，不同之处在于粉煤灰不进行氢氧化钠溶液改性处理。

使用上述粉煤灰基磁混凝剂对含Pb²⁺重金属废水处理方法，参见实施例1，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为2.31mg/L，去除率为90.76％。

将上述处理含铅废水后的粉煤灰基磁混凝剂按照实施例4的方法进行再生，再生粉煤灰基磁混凝剂按照实施例1的方法处理含Pb²⁺重金属废水，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为2.54mg/L，去除率为89.84％。

对比例2

本对比例提供一种粉煤灰基磁混凝剂，其制备方法参见实施例1，不同之处在于将γ-Fe₂O₃替换为Fe₃O₄。

使用上述粉煤灰基磁混凝剂对含Pb²⁺重金属废水处理方法，参见实施例1，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为3.83mg/L，去除率为84.68％。

将上述处理含铅废水后的粉煤灰基磁混凝剂按照实施例4的方法进行再生，再生粉煤灰基磁混凝剂按照实施例1的方法处理含Pb²⁺重金属废水，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为4.95mg/L，去除率为80.2％。

对比例3

本对比例提供一种粉煤灰基磁混凝剂，其制备方法参见实施例1。

使用上述粉煤灰基磁混凝剂对含Cr⁶⁺重金属废水处理方法，参见实施例1，不同之处在于将实施例1的含Pb²⁺重金属废水替换为含Cr⁶⁺重金属废水，处理后重金属废水中的Cr^{6 +}浓度为5.27mg/L，去除率为78.92％。

将上述处理含铬废水后的粉煤灰基磁混凝剂按照实施例4的方法进行再生，再生粉煤灰基磁混凝剂按照实施例1的方法处理含Cr⁶⁺重金属废水，处理后重金属废水中的Cr⁶⁺浓度为6.23mg/L，去除率为75.08％。

对比例4

本对比例提供一种粉煤灰基磁混凝剂，其制备方法参见实施例2，不同之处在于氢氧化钠溶液浓度为15mol/L。

使用上述粉煤灰基磁混凝剂对含Pb²⁺重金属废水处理方法，参见实施例2，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为3.47mg/L，去除率为82.65％。

将上述处理含铅废水后的粉煤灰基磁混凝剂按照实施例5的方法进行再生，再生粉煤灰基磁混凝剂按照实施例2的方法处理含Pb²⁺重金属废水，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为4.1mg/L，去除率为79.5％。

对比例5

本对比例提供一种粉煤灰基磁混凝剂，其制备方法参见实施例1，不同之处在于将氢氧化钠溶液替换为盐酸溶液。

使用上述粉煤灰基磁混凝剂对含Pb²⁺重金属废水处理方法，参见实施例2，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为3.56mg/L，去除率为85.76％。

将上述处理含铅废水后的粉煤灰基磁混凝剂按照实施例4的方法进行再生，再生粉煤灰基磁混凝剂按照实施例1的方法处理含Pb²⁺重金属废水，处理后重金属废水中的Pb²⁺浓度为4.21mg/L，去除率为83.16％。

将上述实施例1和对比例5制得的改性粉煤灰以及粉煤灰基磁混凝剂进行比表面积测试，结果如表1所示。由表1可知，实施例1的粉煤灰基磁混凝剂比表面积可达到15.361m²/g，具有较好的吸附能力。而且，相较于酸改性，碱改性粉煤灰破坏了粉煤灰中的石英和莫来石结构，有着更大更多的比表面积和活性位点，有利于Pb²⁺的脱除；碱改性粉煤灰中还含有部分未被冲洗掉的OH-，加入Pb²⁺重金属废水中可以生成少部分Pb(OH)₂沉淀，促进混凝沉淀。

表1实施例1和对比例5的样品比表面积

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将粉煤灰使用浓度为0.5～2mol/L的氢氧化钠溶液进行改性，得到改性粉煤灰；

(2)将改性粉煤灰与γ-Fe₂O₃混合，得到粉煤灰基磁混凝剂。

2.根据权利要求1所述的一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中粉煤灰和氢氧化钠溶液的质量体积比为0.5～2g：2～4mL。

3.根据权利要求1或2所述的一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中改性温度为25～60℃，时间为50～70min。

4.根据权利要求3所述的一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中改性粉煤灰和γ-Fe₂O₃的质量比为4～6:1～2。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中γ-Fe₂O₃的粒径为20～30nm。

6.根据权利要求1或4所述的一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中在改性前还包括对粉煤灰进行筛选和干燥处理，所述筛选后粉煤灰粒径小于61μm，所述干燥温度为100～110℃，干燥时间为1～2h。

7.权利要求1～6任一项所述的一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的制备方法制得的一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂。

8.权利要求7所述的一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的应用，其特征在于，所述粉煤灰基磁混凝剂用于处理含Pb²⁺废水；

其中，废水的pH为3～6，废水中Pb²⁺初始浓度为20～30mg/L，粉煤灰基磁混凝剂和废水的质量体积比为1～10g：100mL，处理时间为30～50min。

9.权利要求7所述的一种处理含铅废水的粉煤灰基磁混凝剂的再生方法，其特征在于，包括以下步骤：

将处理含铅废水后的粉煤灰基磁混凝剂用水洗涤3～5次，于100～110℃干燥1～2h，再使用1～1.5mol/L的硝酸在室温下进行脱附再生20～60min，用水洗涤3～5次，于100～110℃干燥1～2h，得到再生粉煤灰基磁混凝剂。