粉煤灰沸石的合成及处理焦化废水的研究

论文摘要

焦化废水是一种典型的高浓度、高污染、有毒难降解的工业有机废水,经生化处理后,出水仍残留长链烃、苯系物、杂环化合物等难降解有机物和NH3-N,进入水体后会对水环境及人类健康产生严重危害,因此应对焦化废水生化出水进行深度处理。本文利用工业废弃物——粉煤灰为原料通过水热合成具有高吸附性能的粉煤灰沸石,将其作为吸附剂应用于焦化废水生化出水的处理；并研究了粉煤灰沸石对焦化废水中COD和NH3-N的吸附效果、吸附行为及吸附动力学特征。粉煤灰沸石的水热合成研究表明：（1）灼烧温度影响粉煤灰中未燃尽炭的去除程度和无定型硅铝的活化度。液固比大小影响了粉煤灰的转化率以及生成沸石的种类。NaOH浓度和晶化时间则对生成沸石的种类和结晶度均产生影响。（2）随灼烧温度、液固比、NaOH浓度和晶化时间的增加,沸石产物的阳离子交换容量（CEC）也逐渐增加,但灼烧温度、NaOH浓度和晶化时间到达一定数值后,粉煤灰沸石的CEC值反而降低,试验得出的最佳合成条件是：灼烧温度700℃,NaOH浓度1mol·L-1,液固比5：1mL·g-1,晶化时间36h。（3）粉煤灰经水热合成沸石后CEC值最高为167mmol·100g-1,与原粉煤灰相比,CEC提高了11.8倍,对焦化废水生化出水中COD去除率提高了25.7%,NH3-N去除率提高了32.3倍。天然沸石的CEC为160mmol·100g-1,而粉煤灰沸石的CEC以及对焦化废水中NH3-N的去除率比天然沸石更高。与常规的酸碱湿法改性以及火法改性相比,粉煤灰沸石具有很高的CEC值,因此对于NH3-N去除效果更好。粉煤灰沸石处理焦化废水的结果表明：（1）粉煤灰沸石对废水中COD及NH3-N的吸附是一个快速过程,在60min内即完成了总吸附量的95%以上。（2）沸石的投加量越高,焦化废水的处理效果越好,但在高于2g·100mL-1后,去除率增加幅度很小（3）加入粉煤灰沸石后,焦化废水的pH值有所提高,而pH值对COD的去除几乎没有影响,却对NH3-N的去除效果影响很大,当废水pH为6.0-9.0时,NH3-N去除效果最好,稳定在46%左右。（4）提高废水中COD及NH3-N的浓度,沸石的吸附量不断增加,但去除率逐渐降低。（5）初始COD、NH3-N浓度分别为240.0 mg·L-1、117.4mg·L-1焦化废水生化出水,在不调节废水pH值条件下,合理的工艺参数为：吸附反应时间60min、粉煤灰沸石投加量2g·100mL-1,此时COD及NH3-N的去除率达到17.1%和46.7%,出水中COD的浓度为189.9 mg·L-1,NH3-N的浓度为62.6 mg·L-1。吸附行为研究表明：（1）粉煤灰沸石与原状粉煤灰的吸附等温线均属于L型等温线,且前者对NH3-N吸附容量明显大于后者,且液相浓度越高,吸附容量差别越显著。（2）粉煤灰沸石对NH3-N的吸附容量随温度的增加而下降,表明该吸附过程属于放热反应。（3）与Langmuir拟合相比,Freundlich拟合的相关系数更好,拟合数据与实测结果差别更小,粉煤灰沸石对NH3-N的吸附更符合Freundlich吸附等温式。吸附动力学特征研究表明：粉煤灰沸石对焦化废水中NH3-N的吸附符合二级动力学方程,该吸附过程受液膜扩散和内扩散共同控制。速率常数k2随溶液初始浓度的提高而降低,颗粒内扩散速率常数kp随初始浓度的增加而提高,颗粒内扩散系数D随初始浓度的增加而减小研究成果为粉煤灰的资源化利用提供了一种新思路,不仅可解决粉煤灰堆置而引起的占用土地、污染环境等问题,而且可用于处理焦化废水生化出水,以废治废,具有较高的经济和环境效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 概论
• 1.1 焦化废水的排放及处理工艺
• 1.1.1 焦化废水的产生及水质特征
• 1.1.2 焦化废水的处理工艺
• 1.2 粉煤灰的产生和应用
• 1.2.1 粉煤灰的产生
• 1.2.2 粉煤灰的组成及活性
• 1.2.3 粉煤灰在废水处理中的应用
• 1.3 沸石的结构及理化性质
• 1.3.1 沸石的结构
• 1.3.2 沸石的理化特性
• 1.4 粉煤灰沸石的合成技术
• 1.4.1 粉煤灰合成沸石的可行性
• 1.4.2 粉煤灰沸石的合成机理
• 1.4.3 粉煤灰沸石的合成方法
• 1.4.4 粉煤灰沸石合成的影响因素
• 1.4.5 粉煤灰沸石的表征
• 1.5 本研究的目的和主要内容
• 1.5.1 研究的目的和意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第二章 试验技术路线、材料和方法
• 2.1 试验研究的技术路线
• 2.2 材料、试剂及仪器设备
• 2.2.1 粉煤灰及焦化废水
• 2.2.2 试验所用试剂和仪器
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 COD的测定方法
• 3-N的测定方法'>2.3.2 NH₃-N的测定方法
• 2.3.3 CEC的测定方法
• 2.3.4 pH的测定方法
• 2.4 去除率及吸附量的计算方法
• 第三章 粉煤灰沸石的合成试验
• 3.1 粉煤灰沸石的合成工艺
• 3.1.1 合成方法
• 3.1.2 反应釜
• 3.1.3 合成温度
• 3.1.4 碱液种类
• 3.2 合成条件对沸石合成的影响
• 3.2.1 灼烧温度的影响
• 3.2.2 NaOH浓度的影响
• 3.2.3 液固比的影响
• 3.2.4 晶化时间的影响
• 3.3 各种改性粉煤灰的性能比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 粉煤灰沸石处理焦化废水的试验研究
• 4.1 粉煤灰沸石处理焦化废水
• 4.1.1 反应时间的影响
• 4.1.2 沸石投加量的影响
• 4.1.3 废水pH值的影响
• 4.1.4 初始浓度的影响
• 4.2 吸附等温线试验研究
• 4.2.1 吸附等温线试验
• 4.2.2 吸附等温线的数学拟合
• 4.3 吸附动力学试验
• 4.3.1 一级动力学模型
• 4.3.2 二级动力学模型
• 4.3.3 颗粒内扩散模型
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论和建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文