CN107986373A - 粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的方法，它涉及粉煤灰粒子的前处理及与电场联合的应用，方法：一、将粉煤灰、粘土、造孔剂按比例混合后制成小球并煅烧获得粉煤灰材料，二、以不锈钢、石墨作阴阳极，将粉煤灰材料置于两电极之间，加入重金属离子废水后，通入恒定的电压，即完成粉煤灰材料与电场联合作用体系的构建。与现有技术相比，本发明开拓了制备三维电极材料单体使用范围，作为吸附电解水中重金属离子的应用更是开创了新思路，并且有效的利用了固体废料粉煤灰。应用操作方便、成本低廉，处理水中重金属离子，处理费用低，处理效果好。

Description

粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的方法
技术领域
本发明涉及去除水溶液中重金属离子技术领域，特别是一种粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的方法。
背景技术
在科学技术日益发展的当今社会，金属，特别是重金属的消耗量不断上升，随之而来的是重金属对环境的影响日趋严重。重金属是指相对密度大于5的金属，约有45种，包括铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)等。这些元素在环境中具有难降解、易积累、不可逆、毒性大、代谢慢和易被生物富集的特点。
近年来，水溶液中重金属离子的去除研究得到了广泛的关注。这不仅是因为人们环保意识的提高，更主要的原因是重金属本身具有的毒性可能对人体造成一些危害。人们直接暴露在重金属污染的环境中，容易患上皮炎、肺炎、肾功能衰竭、心血管系统、呼吸道癌、生殖系统等疾病。水体中多数重金属离子来源于采矿、选矿、冶炼、电镀、化工、制革和电子制造等行业，这些行业排放的重金属废水不仅污染了地表水，同时对地下水造成了一定程度的污染。
目前，有多种去除水溶液中重金属离子的方法，如化学沉淀，吸附、离子交换，膜过滤、溶剂萃取、电絮凝等。但这些方法都有一定的局限性。如化学沉淀法容易产生大量的有毒沉淀污泥，溶剂萃取法只适合于浓度高于1g/L的重金属溶液，离子交换法是处理低浓度重金属废水的有效方法，但存在着一次性投资大、占地面积较大，再生洗脱液易造成二次污染、树脂易受污染等问题。所以有必要研究新的水溶液中重金属去除方法。
粉煤灰是火力电厂排出的由煤粉、煤研石或煤泥等燃料燃烧后形成的灰渣。粉煤灰占用大面积土地，如不加以处理，会污染水体及土壤，产生扬尘，污染大气，对人体健康危害很大；排入河道水系会造成河流淤塞，污染水质。粉煤灰多呈灰褐色，通常显酸性，比表面积较小，颗粒通常为圆球状，尺寸从几微米到几百微米。其主要氧化物的含量变化范围很大，其组成与无机硅酸盐材料相似(如水泥)。实验研究表明，我国的粉煤灰SiO2+Al2O3+Fe2O3含量都大于70％。它对粉煤灰的活性及强度等性能有明显的影响且含量指标较为稳定。
由于粉煤灰的化学组成和多孔结构，具有较大的比表面积和静电吸附作用，使粉煤灰具有一定的吸附能力，其主要用于工业废水处理，应用的主要作用机理为吸附，其中也包括接触絮凝、中和沉淀与过滤截留等协同作用。
发明内容
本发明的目的是要提供一种粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的方法。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将粉煤灰、粘土、造孔剂按质量比为4～5:5～4:1的比例混合均匀后，加入蒸馏水滚制成粒径为3-10mm的若干小球，将滚制成的小球放置于干燥阴凉处30分钟以便于小球形状的固定，将形状固定后的小球置于马弗炉中煅烧0.5～2h，煅烧温度为850～1050℃，然后取出用蒸馏水洗涤后并在110℃的烘箱中干燥1小时，获得粉煤灰材料；
步骤二、以不锈钢棒、石墨棒作电极，将粉煤灰材料置于两电极之间，加入含有重金属离子废水，含有重金属离子废水与粉煤灰材料的重量比为5-7:1，然后对两电极通入恒定电压，完成粉煤灰材料与电场联合作用体系的构建，通电时间为120min。
进一步，作为本发明的一种优选方案，所述步骤一中的造孔剂所选材料为碳酸钠，其在煅烧后会使粉煤灰材料的表面形成孔隙。
进一步，作为本发明的一种优选方案，所述步骤二中的不锈钢棒作阳极、石墨棒作阴极，构成牺牲阳极的阴极保护法。
进一步，作为本发明的一种优选方案，所述步骤二中的石墨棒作阳极、不锈钢棒作阴极。
进一步，作为本发明的一种优选方案，所述步骤一中粉煤灰、粘土、造孔剂的质量之比为4.5:4.5:1。
进一步，作为本发明的一种优选方案，所述步骤一中将小球置于马弗炉中在950℃的高温中煅烧2h。
进一步，作为本发明的一种优选方案，步骤一中将小球置于马弗炉中在1050℃的高温中煅烧2h，获得粉煤灰材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明有效的使用粉煤灰资源，通过把生产废弃的粉煤灰资源与黏土等相结合的方法，制备了对环境无污染、利用率高、能耗低的去除水中有机污染物材料。
本发明利用粉煤灰中铁氧化物在电化学氧化中会产生电芬顿氧化，利用粉煤灰材料表面小孔的吸附性，还可以共同对水中有机污染物材料进行吸附和去除。
本发明中，由于粉煤灰中含有许多不规则形状的玻璃状颗粒，这些颗粒中还含有不同数量的微小气泡和微小活性通道，因此粉煤灰表面呈多孔结构，孔隙率一般为60％-70％，比表面积较大，表面上的原子力都呈未饱和状态，使得粉煤灰具有较高的比表面能和较好的表面活性。此外，粉煤灰中还含有少量沸石、活性炭等具有交换特性的微粒，同时又富含铝和硅等元素。这样就使得粉煤灰具有很强的物理吸附和化学吸附性能。
本发明中粉煤灰作为吸附材料，结合电化学处理水中重金属离子达到了“以废治废”的预期目标，解决水处理中原材料不够廉价，制备过程复杂等问题。在得到高效的水处理材料的同时，解决了粉煤灰本身作为一种固废对环境的污染问题。为污水深度处理当中低浓度的难于生物降解的有机污染物提供一种高效、可行，又具有一定经济性的处理方法。
本发明对粉煤灰材料的前处理，结合电化学去除水中重金属离子的方法，所采用的水处理设备简单，应用操作方便，成本低廉，处理费用低。在实验中，以含铜废水为例，在120min，可将溶液中的铜离子去除90％
附图说明
图1为本发明中粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的设备示意图。
其中：1、烧杯；2、石墨棒；3、不锈钢棒；4、粉煤灰材料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
步骤一、将粉煤灰、粘土、碳酸钠按质量比为4:5:1的比例混合均匀后，加入蒸馏水滚制成粒径为3mm的若干小球，将滚制成的小球放置于干燥阴凉处30分钟以便于小球形状的固定，将形状固定后的小球置于马弗炉中煅烧0.5，煅烧温度为850℃，然后取出用蒸馏水洗涤后并在110℃的烘箱中干燥1小时，获得粉煤灰材料；
步骤二、以石墨棒作阳极、不锈钢棒作阴极，取粉煤灰材料置于两电极之间，加入含有重金属离子废水，含有重金属离子废水与粉煤灰材料的重量比为5:1，然后对两电极通入恒定电压，通电时间为120min。
实施例2
步骤一、将粉煤灰、粘土、碳酸钠按质量比为5:4:1的比例混合均匀后，加入蒸馏水滚制成粒径为10mm的若干小球，将滚制成的小球放置于干燥阴凉处30分钟以便于小球形状的固定，将形状固定后的小球置于马弗炉中煅烧1h，煅烧温度为1050℃，然后取出用蒸馏水洗涤后并在110℃的烘箱中干燥1小时，获得粉煤灰材料；
步骤二、以不锈钢棒作阳极、石墨棒作阴极，构成牺牲阳极的阴极保护法，将粉煤灰材料置于两电极之间，加入含有重金属离子废水，含有重金属离子废水与粉煤灰材料的重量比为7:1，然后对两电极通入恒定电压，通电时间为120min。
实施例3
步骤一、将粉煤灰、粘土、碳酸钠按质量比为4.5:4.5:1的比例混合均匀后，加入蒸馏水滚制成粒径为8mm的若干小球，将滚制成的小球放置于干燥阴凉处30分钟以便于小球形状的固定，将形状固定后的小球置于马弗炉中煅烧1.5h，煅烧温度为900℃，然后取出用蒸馏水洗涤后并在110℃的烘箱中干燥1小时，获得粉煤灰材料；
步骤二、以石墨棒作阳极、不锈钢棒作阴极，将粉煤灰材料置于两电极之间，加入含有重金属离子废水，含有重金属离子废水与粉煤灰材料的重量比为6:1，然后对两电极通入恒定电压，通电时间为120min。
实施例4
步骤一、将粉煤灰、粘土、碳酸钠按质量比为4.5:4.5:1的比例混合均匀后，加入蒸馏水滚制成粒径为7mm的若干小球，将滚制成的小球放置于干燥阴凉处30分钟以便于小球形状的固定，将形状固定后的小球置于马弗炉中煅烧2h，煅烧温度为950℃，然后取出用蒸馏水洗涤后并在110℃的烘箱中干燥1小时，获得粉煤灰材料；
步骤二、以石墨棒作阳极、不锈钢棒作阴极，将粉煤灰材料置于两电极之间，加入含有重金属离子废水，含有重金属离子废水与粉煤灰材料的重量比为7:1，然后对两电极通入恒定电压，通电时间为120min。
实施例5
步骤一、将粉煤灰、粘土、碳酸钠按质量比为4.5:4.5:1的比例混合均匀后，加入蒸馏水滚制成粒径为910mm的若干小球，将滚制成的小球放置于干燥阴凉处30分钟以便于小球形状的固定，将形状固定后的小球置于马弗炉中煅烧2h，煅烧温度为1050℃，然后取出用蒸馏水洗涤后并在110℃的烘箱中干燥1小时，获得粉煤灰材料；
步骤二、以不锈钢棒作阳极、石墨棒作阴极，构成牺牲阳极的阴极保护法，将粉煤灰材料置于两电极之间，加入含有重金属离子废水，含有重金属离子废水与粉煤灰材料的重量比为5:1，然后对两电极通入恒定电压，通电时间为120min
测试实例
如图1所示，将铜离子浓度为600mg/L的100ml待处理重金属离子废水倒入烧杯1中，向烧杯1中加入20g用蒸馏水洗涤后并在110℃的烘箱中干燥1小时的粉煤灰材料4，以石墨棒2作为阴极、不锈钢棒3作为阳极，加入恒定电压9V，电解120min。本实例中待处理重金属离子废水，经使用该粉煤灰材料处理后检测，实验前后去除率为90％。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将粉煤灰、粘土、造孔剂按质量比为4～5:5～4:1的比例混合均匀后，加入蒸馏水滚制成粒径为3-10mm的若干小球，将滚制成的小球放置于干燥阴凉处30分钟以便于小球形状的固定，将形状固定后的小球置于马弗炉中煅烧0.5～2h，煅烧温度为850～1050℃，然后取出用蒸馏水洗涤后并在110℃的烘箱中干燥1小时，获得粉煤灰材料；
步骤二、以不锈钢棒、石墨棒作电极，将粉煤灰材料置于两电极之间，加入含有重金属离子废水，含有重金属离子废水与粉煤灰材料的重量比为5-7:1，然后对两电极通入恒定电压，通电时间为120min。
2.根据权利要求1所述的粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的方法，其特征在于：所述步骤一中的造孔剂所选材料为碳酸钠。
3.根据权利要求1所述的粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的方法，其特征在于：所述步骤二中的不锈钢棒作阳极、石墨棒作阴极。
4.根据权利要求1所述的粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的方法，其特征在于：所述步骤二中的石墨棒作阳极、不锈钢棒作阴极。
5.根据权利要求1或2所述的粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的方法，其特征在于：所述步骤一中粉煤灰、粘土、造孔剂的质量之比为4.5:4.5:1。
6.根据权利要求1所述的粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的方法，其特征在于：所述步骤一中将小球置于马弗炉中在950℃的高温中煅烧2h。
根据权利要求1所述的粉煤灰与电场联合作用去除水中重金属离子的方法，其特征在于：步骤一中将小球置于马弗炉中在1050℃的高温中煅烧2h，获得粉煤灰材料。
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