一種免燒結改性粉煤灰陶粒的制備方法及其應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種免燒結改性粉煤灰陶粒的制備方法，將其應用于去除雨水徑流中的磷，降低水體富營養化風險，屬面源污染控制中雨水徑流處理技術領域。
[0002]
【背景技術】
[0003]近幾十年以來，隨著我國城市化的快速發展，城市內澇及雨水徑流中磷等污染導致的水體富營養化等問題日趨嚴峻。水體中磷的含量與其富營養化有直接關系，當水體中的總磷濃度大于0.02mg/L時，該水體即處于富營養化狀態，水體富營養化會嚴重破壞水體環境，危害水生生物的成長。依照Liebig最小因子定律，磷被認為是引起水體富營養化的主因素。張媛對蘭州的地表徑流中總磷的濃度進行監測，結果顯示:蘭州地表徑流中總磷的平均濃度為1.16mg/L，遠高于我國地表五類水的質量標準(總磷<0.4mg/L)。因此必須采取必要的技術手段，對城市降雨徑流中的磷污染進行控制，以達到減輕水體富營養化的目的，對環境保護，造福人類具有重要的意義。
[0004]面源污染的吸附處理是一種簡便、有效、工藝簡單、成本低的方法，此法的關鍵技術在于吸附材料，一種好的吸附材料應具有比表面積大、強度高、吸附性能好、易于制備且成本低廉等優點。
[0005]粉煤灰是我國排放量最大的工業固體廢棄物，它的堆放占用土地，污染環境。粉煤灰的礦物成分和多孔結構使其具有一定的吸附性能，可直接用作廢水處理的基質，但粉煤灰本身的吸附容量和吸附效率并不高，對粉煤灰進行改性處理和造粒處理是提高其吸附容量和吸附效率的一種有效方法之一。目前的改性方法主要有堿改性、酸改性、粉煤灰合成沸石、離子改性等。曹守坤選用HCl、Na0H、Al2(S04)3和FeCl3四種不同類型改性劑對粉煤灰進行濕法浸漬改性后用于處理含磷廢水，結果表明，經FeCl3改性后的粉煤灰的磷去除率最高可達99%，而經NaOH改性后的去除率最低僅有69%，經HCl改性后的去除率有70%，粉煤灰的鹽(FeCl3)改性效果明顯優于粉煤灰的酸改性和堿改性，但FeCl3改性后的粉煤灰在處理水的時候會有較多的Fe3+離子溶出使水質偏黃，對水造成二次污染。稀土元素外層含有不飽和電子層的特殊結構，具有優良的物理化學性能，稀土元素作為摻雜材料或者改性劑應用于水處理領域的研究大多處于實驗室階段。鑭系元素由于其成本較其他稀土元素低，零電荷點高于較高，已成為目前吸附改性劑應用最廣的稀土元素。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種磷吸附能力強、吸附容量高、環境友好型的免燒結改性粉煤灰陶粒及其在面源污染處理中的應用。所述粉煤灰改性方法簡單，成本低廉，可有效去除雨水徑流中的磷，降低水體富營養化風險。
[0007]基于上述目的的本發明提供了一種免燒結改性粉煤灰陶粒的制備方法:
(I)改性劑的配制:在蒸餾水中加入氯化鑭即LaCl3，使氯化鑭質量濃度為0.5%，添加氫氧化鈉，調節PH至9。
[0008](2 )粉煤灰的鑭改性:在每1 OmL步驟(I )得到的改性劑中，添加5 g粉煤灰，以300rpm/min的轉速攪拌8h，用蒸饋水反復沖洗至中性，在烘箱100 °C烘干，自然冷卻，過120目篩。
[0009](3)改性粉煤灰免燒結造粒:免燒結粉煤灰陶粒的最佳制備配方是:將氯化鑭改性粉煤灰、水泥、膨脹珍珠巖、激發劑和硅酸鈉按照6: 2:1:1:1的質量比混合均勻，得到混合料;加水調配，得到含水混合料，水和混合料的質量比為9:25。
[0010]所述步驟(3)中的激發劑由NaOH與CaO按1:1的重量比混合制得，激發劑可以進一步的提尚粉煤灰的吸附性能。
[0011 ]所述免燒結改性粉煤灰陶粒的應用為:將所述的免燒結改性粉煤灰陶粒應用于處理雨水徑流中的磷污染。具體為:將免燒結改性粉煤灰陶粒按照投加量為10g/L加入到雨水徑流中，振蕩大約30分鐘。
[0012]本發明的有益效果:
1.粉煤灰是我國排放量最大的工業固體廢棄物，它的堆放占用土地，污染環境。將粉煤灰進行改性并免燒結造粒，用于雨水徑流中磷元素的去除，有利于環境保護。
[0013]2.本發明所述的改性對雨水徑流中磷元素有良好的去除效果，且破碎率與磨損率之和、含泥量、鹽酸可溶率、孔隙率和比表面積均滿足國家標準《輕骨料測試方法進行》(GB 2842—817)和行業標準《水處理用人工陶粒濾料》(CJ/T 299—2008)，其中比表面積值為3.96\1040112/^，數值遠遠高于國家標準值0.5\1040112/^0
[0014]3.本發明一種利用免燒結改性粉煤灰陶粒對雨水徑流磷元素的去除方法簡單易行、成本耗費低、去除效果好，具有較好的應用價值。
[0015]
【附圖說明】
[0016]附圖1是免燒結氯化鑭改性粉煤灰陶粒的制備流程圖；
附圖2a是粉煤灰樣品(a)掃描電鏡SEM圖；
附圖2b是粉煤灰樣品(a)能譜分析EDS圖譜；
附圖2c是氯化鑭改性粉煤灰(b)掃描電鏡SEM圖；
附圖2d是氯化鑭改性粉煤灰(b)能譜分析EDS圖譜；
附圖3是雨水徑流磷元素濃度為0.6mg/L，免燒結氯化鑭改性粉煤灰陶粒含量為10g/L時，磷的去除率與重復試驗次數的關系。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和【具體實施方式】，進一步闡明本發明。應理解下述具體實施方案僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。
[0018]免燒結改性粉煤灰陶粒的制備:
(I)改性劑的配制:在蒸餾水中加入氯化鑭，使氯化鑭質量濃度為0.5%，添加氫氧化鈉，調節PH至9。當pH值>8.15時，鑭離子開始沉淀;pH值達到9.33時，鑭離子沉淀完全。吸附量在PH〈8時呈上升趨勢，在pH>9以后曲線逐漸平緩。
[0019](2)粉煤灰的鑭改性:在每10mL通過步驟(I)得到的改性劑中，添加5g粉煤灰，以300rpm/min的轉速攪拌8h，用蒸饋水反復沖洗至中性，在烘箱100 °C烘干，自然冷卻，過120目篩。從附圖2中的SEM圖可以看出，經氯化鑭改性的粉煤灰表面出現凹痕，且附著有許多小顆粒，增大了比表面積，圖中還有許多亮點，是氯化鑭負載于粉煤灰上造成的;EDS圖譜中可以看出，氯化鑭改性粉煤灰中含有新的組成元素鑭，含量為2.07%，各組成元素的含量變化并不大，說明在改性過程中，氯化鑭已成功負載于粉煤灰中，含量也非常可觀，由于氯化鑭的附著，粉煤灰的吸附性能也得到了提高。
[0020](3)改性粉煤灰免燒結造粒:免燒結粉煤灰陶粒的最佳制備配方是:將氯化鑭改性粉煤灰、水泥、膨脹珍珠巖、激發劑和硅酸鈉按照6: 2:1:1:1的質量比混合均勻，得到混合料。加水調配，得到含水混合料，水和混合料的質量比為9:25。均勻地將含水混合料加入到造粒機中，直至產生的免燒結粉煤灰陶粒直徑大于5mm。其中水泥的添加可以腐蝕改性粉煤灰的表面，提高其比表面積;膨脹珍珠巖使材料的密度降低;激發劑進一步的提高粉煤灰的吸附性能;硅酸鈉可增加材料的耐酸性，提高其在酸性雨水徑流中的適用性。
[0021 ]所述免燒結改性粉煤灰陶粒的應用為:將所述的免燒結改性粉煤灰陶粒應用于處理雨水徑流中的磷污染。具體為:將免燒結改性粉煤灰陶粒按照投加量為10g/L加入到雨水徑流中，振蕩大約30分鐘。
[0022]所制備的新型免燒結粉煤灰陶粒表面粗糙，比表面積大，空隙率高，抗酸雨能力強，各項性能指標均符合國家標準《輕骨料測試方法進行》(GB 2842—817)和行業標準《水處理用人工陶粒濾料》(CJ/T 299—2008)，其中比表面積值為3.96 X 104cm2/g，數值遠遠高于國家標準值0.5 X 104cm2/g，此免燒結粉煤灰陶粒的吸附性能也完全滿足雨水徑流除磷需要。當模擬雨水徑流濃度為0.6mg/L時，10g/L的免燒結改性粉煤灰陶粒能吸附約91.91%的磷元素，其吸附容量約為5.54mg/g以上。
【主權項】
1.一種免燒結改性粉煤灰陶粒的制備方法，其特征在于: (I)改性劑的配制:在蒸餾水中加入氯化鑭，使氯化鑭質量濃度為0.5%，添加氫氧化鈉，調節PH至9; (2 )粉煤灰的鑭改性:在每1 O m L通過步驟(I )得到的改性劑中，添加5 g粉煤灰，以300rpm/min的轉速攪拌8h，用蒸饋水反復沖洗至中性，在烘箱100 °C烘干，自然冷卻，過120目篩； (3)改性粉煤灰免燒結造粒:免燒結改性粉煤灰陶粒的最佳制備配方是:將氯化鑭改性粉煤灰、水泥、膨脹珍珠巖、激發劑和硅酸鈉按照6: 2:1:1:1的質量比混合均勻，得到混合料，加水調配，得到含水混合料，水和混合料的質量比為9:25;將含水混合料置于造粒機中，進行改性粉煤灰陶粒的免燒結造粒;所述免燒結改性粉煤灰陶粒應用于去除雨水徑流中磷。2.根據權利要求1所述的一種免燒結改性粉煤灰陶粒的制備方法，其特征在于:所述步驟(3沖的激發劑由NaOH與CaO按1:1的重量比混合制得。3.—種免燒結改性粉煤灰陶粒的制備及其應用，其特征在于:所述的免燒結改性粉煤灰陶粒應用于處理雨水徑流中的磷污染，具體為:將免燒結改性粉煤灰陶粒按照投加量為1g/L加入到徑流雨水中，振蕩大約30分鐘。
【專利摘要】一種免燒結改性粉煤灰陶粒的制備方法及其應用，其制備方法為（1）改性劑的制備（2）粉煤灰鑭改性（3）改性粉煤灰免燒結造粒（4）吸附；該免燒結改性粉煤灰陶粒的制備應用于處理雨水徑流中的磷污染；所述該免燒結改性粉煤灰表面粗糙，比表面積大，空隙率高，抗酸雨能力強，對雨水徑流中磷的去除率高達97.9%，處理后的雨水中磷含量滿足《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅰ類水標準，可應用于海綿城市建設技術中，具有良好的應用前景，屬于面源污染控制中雨水徑流處理技術領域。本方法的制備過程簡單，成本低廉，處理效果好，并能夠達到以廢治廢的目的。
【IPC分類】C02F1/28, C04B111/23, C04B28/26, C04B20/02, C04B18/08, C04B38/08
【公開號】CN105622043
【申請號】CN201510988333
【發明人】章茹, 劉志超, 劉學文, 李艷根
【申請人】南昌大學
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2015年12月24日