粉煤灰沸石合成条件优化及初步应用研究

摘要

水体富营养化的防治是水环境保护中的一项重要问题，受到国内外的重视，氮磷是水体富营养化的主要控制因素，如何有效去除生活污水中的氮磷，防止水体富营养化的发生，已成为学术界所关心的核心课题。本文目的是利用无机废弃物粉煤灰为原料优化合成沸石，提高粉煤灰沸石的同步脱氮除磷能力，降低合成成本。论文分析了合成过程中温度、反应时间、液固比、NaOH浓度等合成条件对沸石生成、阳离子交换能力（CEC，Cation Exchange Capacity）和磷固定系数(PIC，Phosphate Immobilization Coefficient)的影响，重点研究了不同钙含量的三种粉煤灰优化合成沸石对实际生活污水的氮磷去除能力。 本研究讨论的主要内容及结论包括以下三个方面： 1、温度主要影响沸石的结晶度；液固比主要影响沸石的种类；NaOH浓度和反应时间对两者均产生影响。合成产物的CEC随温度、液固比经、反应时间呈快速增加，并在分别达到110℃、2.5和16h时趋于最大值。NaOH浓度越高，合成产物CEC也越高，至2mol/L时达到最大，之后显著下降。 2、粉煤灰本身氨氮吸附能力极小，但合成沸石以后，CEC显著增加。15种粉煤灰PIC范围为1.92～40.72mg/g,合成沸石则为11.79～47.17mg/g，固磷能力明显提高。污水中氨氮浓度的增加会使粉煤灰合成沸石对磷吸附能力有所减弱，同样，磷浓度增加也会降低粉煤灰沸石对氨氮的吸附能力，但由于合成沸石本身具有较大的氮磷吸附能力，污水中氮磷浓度的变化总体上对合成沸石同步脱氮除磷影响不大。 3、不同钙含量粉煤灰优化合成沸石同步脱氮除磷初步研究表明： 中低钙粉煤灰经水热反应后形成了单一种类的NaP1型沸石矿物；高钙粉煤灰水热反应后主要晶质为羟基方纳石，其次为NaP1型沸石。三种粉煤灰合成沸石均有少量石英、莫来石及残留粉煤灰成分。合成沸石比粉煤灰氮磷吸附能力强，当合成沸石钙饱和时，可进一步大幅增加磷吸附能力。 4、无论模拟污水还是实际污水，粉煤灰合成沸石最佳投加量为8g/L，超过最佳投加量时，氮磷的去除率增加有限。粉煤灰合成沸石脱氮除磷效果会受到实际污水中其它物质的影响。三种合成沸石的磷吸附能力为：高钙沸石>中钙沸石>低钙沸石，三种合氨氮阳离子交换能力为：低钙沸石>中钙沸石>高钙沸石。三种沸石与氮磷的反应属于快速的反应，钙含量越高的粉煤灰合成沸石，其磷的去除率越好，高中低钙粉煤灰优化合成的沸石的最佳处理时间为60min。从脱氮除磷角度来看，粉煤灰合成沸石固磷能力要好于氨氮的阳离子交换能力。