CN104549171B - 煤渣—沸石复合净化球的制备与净化方法及实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种煤渣—沸石复合净化球的制备与净化方法及实验装置。将预处理后的煤渣和沸石按质量比2:1混合均匀放入成球机，加入PVA有机粘合剂制成煤渣沸石复合净化球，烘干后用清水浸泡，取出再次烘干即可直接投放水体使用，使用后选择加热进行再生处理重复利用。可有效实现多次使用，防止对环境的二次污染，可以作为水质净化中的填料介质。且对污染水体的氨氮和COD的去除率分别可达到57.2％、51.2％。本发明制备的煤渣－沸石复合净化球机械性能好，耐冲击负荷能力强，孔隙丰富，而为微生物提供较大的附着场所，本发明所用原料来源广泛，制作简单，经济实用且运行成本低。

Description

煤渣—沸石复合净化球的制备与净化方法及实验装置
技术领域
本发明属于水质净化技术，具体涉及一种煤渣—沸石复合净化球的制备与净化方法及实验装置和在水质净化中的应用。
背景技术
根据2012年中国环境状况公报显示，我国河流、湖泊等地表水体的主要污染指标为氨氮、COD、BOD5、总磷等，水污染超标指标多样，其中主要河流中氨氮和COD的超标率最高。公报中指出，氨氮和COD是废水中排放的主要污染物，2012年氨氮的排放总量为253.6万吨，COD的排放总量为2423.7万吨。这些污染物质进入地表水体或渗入地下水，严重威胁着我国水环境安全，因而采取有效的技术措施来缓解水污染带来的压力变得刻不容缓。
针对地表水体中氨氮和COD的去除，一些新材料和方法已得到大量的研究。其中，利用固体废弃物开发廉价的新材料应用于水处理过程，既可以对水质起到净化效果，又能实现废弃物的资源化，从而成为研究的热点。已有专利《一种煤渣球》(ZL201210439883.7)中，将煤渣球用于地表水体中氨氮和COD的去除。该煤渣球因具有较强的机械性能和耐冲击负荷，在水处理中可以保持较好的稳定性，其对COD虽然也有良好的去除效果，但是对氨氮的去除效果不高，即存在着去除污染物单一的问题。此外，煤渣球的吸附能力达到饱和后，煤渣球的有效表面积就减少，且逐渐失去作为吸附材料的吸附能力，这样煤渣球又变为“废物”而不能继续使用，未能对其进行再生，恢复活性重复利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤渣－沸石复合净化球的制备与净化方法及其在水质中的应用，以弥补现有技术的不足。
本发明的构思是：鉴于沸石是一种高效的多孔介质材料之一，尤其是对氨氮的去除有明显效果，而且沸石微小孔隙中的阳离子还有较强的选择性离子交换性能，可将水体中有害的重金属离子吸附去除，但其对有机物质的吸附能力较弱。而煤渣球对有机物的吸附能力较强。因而本发明综合协同二者的优势，以沸石和煤渣为原料，经对比单一煤渣、单一沸石以及煤渣和沸石的不同质量配比对劣Ⅳ类水体(《地表水环境质量标准》(GB3838－2002))中COD和氨氮的吸附效果，确定煤渣和沸石按最佳质量比2:1混合均匀后制成煤渣－沸石复合净化球，并减小其球径尺度增大表面吸附能力，以实现其对COD去除能力保持在50％以上条件下，对氨氮的最大去除效率能由单一煤渣球的32％提高到60％左右，从而克服了已有技术的不足。又专门设计了水槽净化实验装置，
另外，本发明还考虑到煤渣－沸石复合净化球在实际工程的应用中，应保证其经济实用性，以及不会造成对环境的二次污染，因为通常煤渣－沸石复合净化球在其吸附能力达到饱和后，其有效表面积减少的情况下，通过简单的再生方法加热使其被吸附的有机物质等挥发而被除，从而使吸附能力得到恢复，实现再利用，有效节约而获得较好的经济效益和环境效益。为此本发明又提供了实用的再生方法。
本发明的煤渣－沸石复合净化球制备及再生的具体步骤如下：
1)煤渣的预处理
将煤渣粉碎，研磨至0.8mm，用7mol/L的盐酸浸泡处理，倾去上清液，用清水反复清洗至pH为6～7，在60～80℃条件下烘干后备用。
2)沸石的预处理
将沸石用清水冲洗，并研磨至0.8mm。
3)将上述预处理后的煤渣和沸石混合均匀，放入成球机，加入PVA有机粘合剂，制成直径为2.5～4cm的煤渣—沸石复合净化球；在60～80℃条件下烘干后，用清水浸泡2～3周，取出再次烘干即可直接投放水体使用，使用后进行再生处理重复利用。
上述煤渣和沸石是按质量比2:1混合均匀的。上述PVA有机粘合剂的使用比例为10ml/100g煤渣和沸石混合物。
上述PVA有机粘合剂的制备方法：
在水浴85℃条件下，将5.6g聚乙烯醇加入80mL去离子水中，溶解后加入1g丁二酸，搅拌溶解后冷却至室温，即得PVA有机粘合剂。即PVA有机粘合剂的成分有聚乙烯醇(1799型)、丁二酸、去离子水，三者的配比为5.6:1:80(g:g:mL)。
上述煤渣—沸石复合净化球的再生方法：
将使用过的煤渣－沸石复合净化球置于烘箱内进行再生处理，其再生温度为170℃，恒温再生时间为2或4小时即可。通过加热使其被吸附的有机物质挥发而被驱除，从而使吸附再生率达到80％以上。通常按被处理水体氨氮和COD的初始浓度高时，再生时间取上限。
本发明的水槽净化实验装置，包括槽体与其前后端设有的进水口和出水口，槽体内先后设置布水堰和固定在支架上网笼，其中网笼内填充有煤渣－沸石复合净化球。利用该实验装置作为微污染水体水质净化的模拟实验研究。
上述煤渣—沸石复合净化球应用于微污染水体包括河水的吸附和净化。
所述的河流水体净化的方法，其特征在于：可直接将煤渣－沸石复合净化球利用金属网笼固定于水体中进行原位净化，且最佳的水力停留时间约为10h。
本发明具有以下优点：
(1)本发明确定的煤渣和沸石按质量比2:1混合均匀后制成的煤渣－沸石复合净化球对COD和氨氮的净化能力均保持在50％以上，可有效实现对复合污染水体的净化。
(2)本发明制备的煤渣－沸石复合净化球机械性能好，耐冲击负荷能力强，孔隙丰富，也能为微生物提供较大的附着场所，可以作为水质净化中的填料介质。
(3)本发明提出的煤渣－沸石复合净化球的再生方法，可实现多次使用。
(4)本发明所提出的煤渣－沸石复合净化球可直接应用于大型水体中，且在不影响水体使用功能的前提下去除污染物质。
(5)本发明所用原料来源广泛，制作简单，经济实用且运行成本低。
附图说明
为了更好的理解本发明，下面结合附图进一步阐明本发明。
图1、为本发明水槽净化实验装置结构示意图。
图2、为图1的剖面结构示意图。
图3、为本发明的煤渣—沸石复合净化球表面孔隙结构扫描电镜图(放大20000倍)。
其中，1槽体；2进水口；3布水堰；4煤渣－沸石复合净化球；5网笼；6支架；7出水口。
具体实施方式
下面结合实施例详细阐明本发明的内容。
实施例1
1)煤渣预处理：将煤渣用粉碎机研磨至0.8mm。取200g放入500mL广口瓶，加入7mol/L盐酸200mL，室温条件下以140r·min-1在水平振荡器上震荡10h，静置14h，倾去上清液，用清水反复清洗至pH值为6，烘干。
2)沸石预处理：将沸石用清水冲洗，研磨至0.8mm。
3)PVA有机粘合剂的制备：称取聚乙烯醇21.0g，在85℃条件下放入300mL去离子水中，搅拌溶解后加入3.75g丁二酸，搅拌均匀，冷却至室温，即得PVA有机粘合剂。
4)称取上述预处理后的煤渣120g、沸石60g，混合均匀，放入成球机，添加PVA有机粘合剂，制成直径为3cm的煤渣－沸石复合净化球，60℃烘干后放入清水中浸泡2周，取出再次烘干即可使用，使用后进行再生处理重复利用。
5)本发明选择热进行再生处理：将使用过的煤渣－沸石复合净化球置于烘箱内以温度为170℃，恒温再生时间为2或4小时即可。通常按被处理水体氨氮和COD的初始浓度高时，再生时间取上限。如水体氨氮和COD的初始浓度分别为10和40mg/L时，再生时间为4小时，由标准再吸附实验法确定其再生率为81％。即通过加热使被吸附的有机物质等挥发而被除，从而使吸附再生率达到80％以上。如图3，为本发明的复合净化球表面孔隙结构扫描电镜图。
实施例2
如图1、2，本发明的水槽净化实验装置包括槽体1与其前后端设有的进水口2和出水口7，且槽体1内先后设置布水堰3和固定在支架6上网笼5，其中网笼5内填充有煤渣－沸石复合净化球5。
上述的布水堰3类似于是水利工程中常用的一种围堰---布水堰，其目的是使水流在预定的区域内沿预定的渠道均匀布水。本发明的布水堰3是用塑料板制成的均匀布水板。
上述的网笼6、支架7是金属制成，如不锈钢丝、铝等；
将需要净化的水体通过进水口2进入槽体1，经锯齿状布水堰3进行均匀布水后进入用支架6固定于槽体1壁的网笼5内，与填充有煤渣－沸石复合净化球4充分接触，使其中的污染物质被煤渣－沸石复合净化球吸附去除，最终净化后的水由设置于槽体最末端的出水口7流出，利用水质参数仪对流出的水分别进行各污染指标(COD、氨氮等)的检测，从而完成整个净化试验过程。
如图1、2，在槽体1长2m、宽0.5m、高0.7m内，将煤渣－沸石复合净化球装到硬质铝丝网笼中，固定于槽体1的两侧，设置的网笼6的长度为1m，宽度为1个煤渣－沸石复合净化球的直径(3cm)。微污染河水氨氮和COD的初始浓度分别为1.35mg/L、40mg/L。经过10h的接触吸附后，煤渣－沸石复合净化球对氨氮和COD的去除率分别达到57.2％、51.2％。而同种试验煤渣球对氨氮、COD的去除效率分别为32％和59.8％，显然本发明的煤渣—沸石复合净化球在保持对COD有较高去除效率的基础上，对氨氮的去除效果比煤渣球有很大的提高。

Claims (7)

1.一种煤渣－沸石复合净化球的制备方法，其特征是具体步骤如下：
1）煤渣的预处理
将煤渣粉碎，研磨至0.8mm，用7mol/L的盐酸浸泡处理，倾去上清液，用清水反复清洗至pH为6～7，烘干后备用；
2）沸石的预处理
将沸石用清水冲洗，并研磨至0.8mm；
3）将上述预处理后的煤渣和沸石混合均匀，放入成球机，加入PVA有机粘合剂，制成直径为2.5～4cm的煤渣－沸石复合净化球；在60～80℃条件下烘干后，用清水浸泡2～3周，取出再次烘干即可使用，使用后进行再生处理重复利用，上述PVA有机粘合剂的使用比例为10ml/100g煤渣和沸石混合物。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于上述煤渣和沸石是按质量比2:1混合的。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的PVA有机粘合剂的制备方法是在水浴85℃条件下，将5.6g聚乙烯醇加入80mL去离子水中，溶解后加入1g丁二酸，搅拌溶解后冷却至室温，即得PVA有机粘合剂。
4.如权利要求1所述的制备方法所制备的煤渣—沸石复合净化球的应用，其特征在于用于微污染水体的吸附和净化，且最佳的水力停留时间为10h。
5.如权利要求1所述的制备方法所制备的煤渣—沸石复合净化球的再生处理方法，其特征在于将使用过的煤渣—沸石复合净化球置于烘箱内进行再生处理，其再生温度为170℃，恒温再生时间为2或4小时，以通过加热使其被吸附的有机物质挥发而被驱除，从而使吸附再生率达到80%以上。
6.水槽净化实验装置，其特征在于包括槽体（1）与其前后端设有的进水口（2）和出水口（7），且槽体(1)中依次设置布水堰（3）和固定在支架（6）上的网笼（5），其中网笼（5）内填充有如权利要求1所述的制备方法所制备的煤渣－沸石复合净化球（4）。
7.如权利要求6所述的水槽净化实验装置，其特征在于上述的布水堰（3）是用塑料板制成的均匀布水板。
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