改性粉煤灰絮凝剂的制备及处理煤泥水的研究
摘 要:通过亲水性单体的表面接枝聚合改善粉煤灰的表面亲水性,增加与水的接触,从而提高其净化污水效果。将粉煤灰分散在甲基丙烯酸溶液中聚合,制备聚甲基丙烯酸改性粉煤灰絮凝剂,然后对吸水率、红外、热重和SEM进行表征,并通过煤泥水的沉淀试验对絮凝能力进行研究。结果表明,该方法将甲基丙烯酸接枝聚合在粉煤灰表面制备FA-MA20絮凝剂,可以改善粉煤灰的亲水性,对煤泥水具有良好的絮凝能力。通过改善粉煤灰表面亲水性的方法可以提高对煤泥水的净化效果,对粉煤灰的综合利用及煤泥水处理具有重要的应用前景。
关键词:污水处理;粉煤灰;聚甲基丙烯酸;煤泥水;絮凝剂
0 引 言
粉煤灰(FA)是煤炭燃烧过程中所产生的固体废弃物,大量的堆放不仅占用土地,而且对人类健康和生态环境造成危害[1-3]。粉煤灰的综合开发利用不仅可以解决环境污染问题,而且能够变费为宝,为经济增长提供一个推动力[4-5]。粉煤灰的来源广泛,价格低廉,具有多孔性、比表面积大及较好的吸附性能[6-8],在污水处理领域具有以废治废、节约资源和经济高效等优点,因而具有广阔的应用前景[9-10]。然而,由于粉煤灰表面特有的疏水性结构,很难与水进行有效接触,尚未发挥自身吸附性能,致使净化污水效果欠佳[11-16]。为此,将亲水性单体接枝聚合在粉煤灰表面改善粉煤灰表面的亲水性,可以增加与水接触,继而提高吸附性能,充分发挥净化污水的效果。本文将粉煤灰分散在亲水性甲基丙烯酸单体的蒸馏水溶液中进行聚合,制备聚甲基丙烯酸改性粉煤灰絮凝剂材料,然后对其吸水率、红外、热重和SEM进行表征,并通过煤泥水的沉淀试验对其絮凝能力进行研究。
1 试 验
1.1 改性粉煤灰的制备
准确称取一定量的粉煤灰(FA)和甲基丙烯酸(MA)加入30 mL蒸馏水中。混合均匀后,将上述液体加入到70℃及N2保护的三颈瓶中。30 min后,再称取单体质量2%的引发剂过硫酸钾(KPS)加入到三颈瓶中,聚合反应2 h。反应结束后,抽滤,依次用无水乙醇、蒸馏水反复洗涤3次。最后,在60℃真空干燥箱中干燥24 h,即可得到改性粉煤灰。按表1所示的单体用量,制备相应的改性粉煤灰样品。
表1 改性粉煤灰的单体用量
Table 1 Monomer content of modified fly ash
样品 粉煤灰质量/g 甲基丙烯酸质量/g FA-MA10 1.0 0.1 FA-MA20 1.0 0.2 FA-MA50 1.0 0.5
1.2 吸水率的测定
准确称取一定量的粉煤灰和改性粉煤灰置于蒸馏水中,24 h后用滤纸过滤,测定吸水后样品的质量,根据下列公式计算吸水率。
式中,m1为样品的质量,g;m2为样品吸水后的质量,g。
1.3 改性粉煤灰的表征
通过红外、热重、扫描电镜对粉煤灰和改性粉煤灰进行表征,研究甲基丙烯酸接枝聚合改性对其表面官能团及形貌的影响。
1.4 煤泥水净化性能研究
称取不同质量的改性粉煤灰以及不同配比的改性粉煤灰,加入到4 mL浓度为0.05 g/mL的煤泥水中,混合均匀。观察10、20、30 min时煤泥水溶液的差异,并拍照。将煤泥水和加入絮凝剂(粉煤灰或改性粉煤灰FA-MA20)的煤泥水放置30 min,取上部悬浮液用721型分光光度计测定透光率[13]。
2 结果与讨论
2.1 吸水率的结果分析
粉煤灰及改性粉煤灰的吸水率见表2。由表2可知,改性后样品的吸水率随着亲水性单体甲基丙烯酸用量的增大先降低后增大。与粉煤灰相比,改性后的样品FA-MA10吸水率下降,而FA-MA20和FA-MA50吸水率却明显增大。这是因为改性样品FA-MA10中亲水性单体甲基丙烯酸的用量较少,单体接枝聚合在粉煤灰表面,以致聚甲基烯酸包覆微孔结构,吸水率下降。而改性后的样品FA-MA20和FA-MA50中甲基丙烯酸的用量增大,虽然也堵塞一些微孔结构,但是由于粉煤灰表面的亲水性聚甲基丙烯酸明显增加,因而改性粉煤灰FA-MA20和FA-MA50的吸水率显著提高。
表2 粉煤灰及改性粉煤灰的吸水率
Table 2 Water absorption of fly ash and modified fly ash
样品 吸水率/%FA 115.7±0.8 FA-MA10 67.7±1.2 FA-MA20 139.3±1.1 FA-MA50 157.6±0.9
2.2 红外表征
粉煤灰及改性粉煤灰的红外光谱图如图1所示。由图1可知,与粉煤灰相比,改性粉煤灰随着甲基丙烯用量的增加,在3 410和1 117 cm-1处有明显的出峰,分别是改性粉煤灰中甲基丙烯酸单体羧酸基团中的—OH和C—O出峰,而且强度明显增强。而样品FA-MA50还在1 633 cm-1处有明显出峰,这是由于甲基丙烯酸单体用量增加接枝聚合在粉煤灰表面的聚合物较多,因而在红外光谱中有甲基丙烯酸单体聚合羧酸基团中
的特征峰。结合吸水率数据,可以看出,通过聚合可以将甲基丙烯酸接枝聚合在粉煤灰表面。
图1 粉煤灰及改性粉煤灰的红外光谱图
Fig.1 IR of fly ash and modified fly ash
2.3 热重分析
粉煤灰和改性粉煤灰的热重分析如图2所示。由图 2可知,与粉煤灰相比,改性粉煤灰样品FA-MA20失重率为2.5%。这是因为改性粉煤灰表面有甲基丙烯酸单体的聚合物,而且接枝聚合甲基丙烯酸单体的量约为2.5%。根据表1中投料数据,可以计算改性粉煤灰样品FA-MA20的接枝率约为2.6%,单体接枝利用率约为13%。
图2 粉煤灰与改性粉煤灰的热重分析
Fig.2 TG of fly ash and modified fly ash
2.4 SEM 表征
粉煤灰和改性粉煤灰的SEM如图3所示。与粉煤灰相比,改性粉煤灰FA-MA20颗粒粒径变大,颗粒表面微孔结构增加,而且在微孔中还有许多填充物。这是由于甲基丙烯酸聚合时,有些单体在粉煤灰原有的微孔中聚合,还有一些单体接枝聚合形成了许多新的微孔结构。改性粉煤灰FA-MA20表面的微孔结构为增加吸水率提供了可能,这与吸水率测试结果数据一致。结果表明,通过简单的聚合可以将甲基丙烯酸单体接枝聚合在粉煤灰表面。
图3 粉煤灰和改性粉煤灰的SEM图
Fig.3 SEM of fly ash and modified fly ash
2.5 煤泥水净化性能研究
絮凝剂用量对煤泥水沉淀效果的影响如图4所示。与煤泥水相比,加入改性粉煤灰FA-MA20的煤泥水随着时间的延长,会出现不同程度的沉淀;其中改性粉煤灰FA-MA20对煤泥水的沉淀效果最佳。这是由于改性粉煤灰FA-MA20的基体材料粉煤灰是煤炭燃烧后的副产物,与煤泥水中的煤颗粒均具有较强的疏水性,可以通过疏水相互作用吸附结合,最终絮凝形成沉淀,达到净化煤泥水的效果[11]。
图4 絮凝剂用量对煤泥水沉淀效果的影响
Fig.4 Effect of coagulant dosage on slime water flocculation treatment
投料配比对煤泥水沉淀效果的影响如图5所示。与煤泥水相比,加入改性粉煤灰FA-MA10和FA-MA50的煤泥水随着时间的延长,沉淀效果不明显,而加入改性粉煤灰FA-MA20和FA的煤泥水随着时间的延长,会出现不同程度的沉淀。与FAMA20相比,FA-MA10和FA-MA50沉淀效果较差。FA-MA10和 FA-MA50的吸水率分别是(67.7±1.2)%、(157.6±0.9)%,而 FA-MA20 的吸水率为(139.3±1.1)%,介于二者之间。 这说明改性粉煤灰的表面亲疏水性影响与煤粒的相互作用,直接关系到煤粒的沉淀效果。与粉煤灰相比,FA-MA20在10、20 min时沉淀效果较好,而在30 min时差别不大。 这是因为FA-MA20的吸水率(139.3±1.1)%高于粉煤灰的吸水率(115.7±0.8)%,较高的吸水率有利于沉淀剂FA-MA20在水中分散,并能与煤泥水中的煤颗粒快速发生吸附作用形成沉淀,但是随着时间的延长,FA-MA20和粉煤灰与煤颗粒的吸附作用趋于平衡,因而在30 min时沉淀效果相差不大。为了定量说明沉淀效果的差异,对煤泥水和加入絮凝剂煤泥水的上部悬浮液透光率进行了测定[13]。与煤泥水透过率2.5%相比,加入絮凝剂煤泥水透过率较高,加入粉煤灰、改性粉煤灰FAMA20煤泥水透过率分别为68.1%、71.4%。由此可见,改性粉煤灰FA-MA20可以快速絮凝煤泥水,对迅速治理煤泥水污染具有重要意义。
图5 投料配比对煤泥水沉淀效果的影响
Fig.5 Effect of feed ratio of modified fly ash on slime water flocculation treatment
3 结 论
1)通过自由基聚合将甲基丙烯酸单体接枝聚合到粉煤灰表面,用吸水率、红外、热重和扫描电镜对其进行表征,并用煤泥水的沉淀试验对其絮凝能力进行研究。结果表明,该方法可以将甲基丙烯酸单体接枝聚合在粉煤灰表面,改善粉煤灰表面的亲水性。
2)煤泥水的沉淀试验表明,与煤泥水相比,改性粉煤灰FA-MA20对煤泥水的沉淀效果最为显著,可以在30 min内快速絮凝处理煤泥水。该材料有望用于处理煤泥水等污水领域,对于粉煤灰的综合利用具有重要的应用前景。
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Preparation and application of fly ash modified by polymethylacrylic acid
Abstract:In order to increase sewage purification of fly ash,the surface grafting of hydrophilic monomers was used to improve the surface hydrophilic and contact with water.The modified fly ash was prepared by free radical polymerization of methacrylic acid and fiy ash.The modified fly ash was characterized by the water absorption,IR,TG and SEM.The coal slime sedimentation experiments of the modified fly ash were also conducted.The results suggested that the method of modified FA-MA20 had a good flocculation ability of coal slurry through grafting polymerization of methacrylic acid.It was an important application prospect for the comprehensive utilization of fly ash and the treatment of coal slurry by improving the hydrophilicity of fly ash surface.
Key words:wastewater treatment;fly ash;polymethylacrylic acid;slime water;flocculant
中图分类号:X703.5
文献标志码:A
文章编号:1006-6772(2016)04-0038-04
收稿日期:2016-01-16;责任编辑:孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.04.009
基金项目:陕西省自然基础研究计划资助项目(2014JQ2051)
引用格式:宫 铭,张冬冬,曲建林,等.改性粉煤灰絮凝剂的制备及处理煤泥水的研究[J].洁净煤技术,2016,22(4):38-41,116.GONG Ming,ZHANG Dongdong,QU Jianlin,et al.Preparation and application of fly ash modified by polymethylacrylic acid[J].Clean Coal Technology,2016,22(4):38-41,116.
