基本信息
- 项目名称：
- 活化粉煤灰/ZnO或CeO2复合材料对染料废水的处理
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 随着电力工业的发展，燃煤电厂所排放的粉煤灰逐年增多，对人类的生存环境造成了严重的威胁，粉煤灰的综合利用已成为迫切需要解决的问题。粉煤灰的低活性极大地限制了其在废水处理方面的应用。 本课题采用H2SO4对粉煤灰进行活化处理，打开封闭的空穴，提高其比表面积，增强其吸附性能；再利用液相沉淀技术负载光催化材料ZnO或CeO2，进一步提高其催化降解活性。以性质稳定、难于生物降解的偶氮染料酸性红B为研究对象，系统研究了多种因素（包括活化粉煤灰所用硫酸浓度、ZnO或CeO2负载量、焙烧温度、灰的投加量、反应时间、废水pH值及初始浓度、光源等）对脱色率的影响，摸索出最佳的处理废水的条件，同时对活化机理和脱色机理进行了有益的探讨。结果表明：活化粉煤灰/ZnO或CeO2复合材料可显著提高染料的脱色率，有效减少粉煤灰的投加量，同时反应条件温和、无二次污染, 可实现以废治废、综合利用、保护环境的目的，是一种颇有发展前景的水处理材料。 活化粉煤灰/ZnO或CeO2复合材料与活性炭等高价格的吸附材料相比，属废物利用，成本低廉，来源广泛，加之在使用后不需要进行费用昂贵的再生处理，可以直接用于建材产品的再生产，因而应用前景将十分广阔。脱色率影响因素的分析以及活化机理和脱色机理的探讨为该复合材料的实际应用提供了理论及实验指导。
- 详细介绍：
- 纺织行业是我国排放工业废水量较大的部门之一，每年排放废水9亿多吨，位居工业废水“排行榜”第六位，其中印染废水排放量又占纺织工业废水排放量的80%。据不完全统计，全国印染废水每天排放量为(3～4)×106m3，占全国工业废水总排放量的35%，并以1%的速度逐年增长。印染废水具有水量大、有机污染物含量高、色度深、碱性大、水质变化大、可生化性能差等特点，属难处理的工业废水。近年来，随着染料工业的飞速发展和人们对物质生活要求的提高，新型助剂、染料、整理剂等在印染行业中被大量使用，其分子结构日趋复杂，性能也越来越稳定，给处理带来了更大的困难。开发经济有效的印染废水处理技术已成为当今环保行业关注的课题。 印染废水中所包含的染料主要有亲水性的直接染料、酸性染料、活性染料以及疏水性的还原染料、硫化染料、分散染料等。其残存的染料组分即使浓度很低，也会造成水体透光率降低，导致生态环境的破坏，因此，人们不断探索、积极寻找既经济合理,又能有效地降低印染废水色度的可行方法。近年来，国内外对染料废水的脱色方法进行了大量的研究 , 但由于染料废水类别复杂, 造成治理技术上的困难, 很难实现工业化, 所以, 染料废水的脱色仍是亟待解决的一大难题。 粉煤灰是煤炭燃烧后的废弃物，主要成分是SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，同时还含有少量的其他物质，是一种具有不规则孔洞的多孔性松散固体集合物，比表面积较大，对染料大分子具有一定的吸附能力，其本身是一种工业废料，价格低廉。2004年我国粉煤灰排放量已超过2亿吨。随着发电厂、城市供热工程的不断增加，粉煤灰的产量也必将随之增多。估计到2020年，我国粉煤灰的年排放量将达到现在的3倍左右，再加上目前我国己有20亿吨粉煤灰累计堆存量，总的堆存量将会达到30多亿吨。其中只有少部分得到了利用，不仅占用大量土地，而且会造成地下水、空气的污染，破坏生态平衡严重污染环境。目前，我国对粉煤灰的综合利用率低，如能用于染料废水的脱色，则可达到以废治废，综合利用的目的，同时也为染料废水脱色这一难题找到一个新的处理方法，因此具有较大的社会效益和经济效益。 由于粉煤灰的吸附容量不高，如果不进行预处理，直接净化染料废水的能力差，而且处理废水的后道工序比较麻烦，甚至可能造成二次污染。近年来，国内外专家学者加强了对粉煤灰的预处理、改性、活化以及和其它助凝剂的协同作用研究，以提高其吸附性能，增强其脱色效果，但仍存在投加量较大，脱色率偏低的问题。 本课题采用H2SO4对粉煤灰进行活化处理，打开封闭的空穴，提高其比表面积，增强其吸附性能；再利用液相沉淀技术负载光催化材料ZnO或CeO2制备活化粉煤灰/ZnO或CeO2复合材料。该复合材料将活化粉煤灰的吸附性能与ZnO或CeO2光催化降解作用有机结合，显著提高了染料的脱色率，有效减少了粉煤灰的投加量，同时反应条件温和、无二次污染,是一种颇有发展前景的水处理技术。
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撰写目的和基本思路
- 印染废水水量大、色度深、难处理的特点给水处理工作带来重大难题。来自燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增多，且综合利用率低，对环境造成严重威胁。 本课题采用H2SO4活化粉煤灰，增强其吸附性；然后负载光催化材料ZnO或CeO2，提高其催化降解活性。将改性后的粉煤灰应用于常见的酸性红B染料废水的处理。通过系统分析多种因素对脱色率的影响，找出脱色反应的最佳工艺条件，从而实现以废治废，保护环境的目的。
科学性、先进性及独特之处
- 1、活化粉煤灰/ZnO或CeO2复合材料将活化粉煤灰的吸附性能与ZnO或CeO2光催化降解作用有机结合，不但原料用量少、脱色效果优良，而且反应条件温和、无二次污染，应用前景广阔。 2、成功分析了多种因素对酸性红B脱色率的影响，摸索出最佳的处理废水的条件。 3、对比发现，活化粉煤灰/ZnO对染料的脱色速度更快，脱色率更高，而且ZnO来源广泛，价格低廉，因而是一种理想的水处理材料。
应用价值和现实意义
- 粉煤灰与活性炭等吸附材料相比，属废物利用，成本低，来源广，加之使用后不需进行费用昂贵的再生处理，可直接用于建材产品的再生产，因而应用前景将十分广阔。 与原状粉煤灰相比，活化粉煤灰/ZnO或CeO2复合材料具有吸附量大、脱色速度快、脱色率高、投加量小等一系列优点，在染料废水处理中显示出良好的应用前景。 脱色率影响因素的分析及活化机理和脱色机理的探讨为该复合材料的实际应用提供了理论及实验指导。
学术论文摘要
- 采用H2SO4对粉煤灰进行活化处理，再经液相沉淀制备活化粉煤灰/ZnO或CeO2复合材料。EDS、XRD分析结果表明粉煤灰经活化后其组成、结构发生了一定变化；SEM分析表明粉煤灰经活化后孔隙率显著增加，同时增加了其比表面积；EDS分析证实了活化粉煤灰/ZnO或CeO2复合材料的形成。利用改性前、后的粉煤灰对酸性红B模拟染料废水进行脱色处理，研究了各种反应条件对脱色效果的影响，并对活化机理和脱色机理进行了探讨。实验结果表明：粉煤灰经50%的H2SO4活化后，ZnO负载量为0.2g/2g活化粉煤灰，焙烧温度400℃，投加灰量为3.5g/L，搅拌反应60min，对于初始浓度为20mg/L的酸性红B模拟废水脱色率可达99%。CeO2负载量为0.5g/2g活化粉煤灰，焙烧温度500℃，投加灰量为10g/L，搅拌反应120min，对于初始浓度为20mg/L、pH=1的酸性红B模拟废水脱色率可达93.2%。说明活化粉煤灰/ZnO或CeO2复合材料对染料废水有良好的脱色效果，在造纸废水、纺织印染废水的处理上有广阔的应用前景。
获奖情况
- 该作品获得河北省挑战杯2009“动感地带”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
鉴定结果
参考文献
- [1]戴日成等.给水排水, 2000, 26, 10:33-37. [2]K V Kumar, et al. J.Colloid Interf.Sci.，2005, 284, 1: 14-21. [3]王西新等. 粉煤灰综合利用,2002, 5: 26-27. [4]P Janos, et al.Water Res.，2003, 37, 20：4938-4944. [5]Papandreou A, et al. J.Hazard Mater., 2007, 148, 3: 538-547. [6]兰善红等.工业水处理,2007,27,2：20-23.
同类课题研究水平概述
- 随着纺织品质量的提高，染料呈现出抗光解、抗氧化和抗生物降解等特点。因此，染料废水的治理变得尤为困难，导致其对环境的污染日益严重。 随着我国电力工业的迅猛发展，导致了粉煤灰排放量的急剧增长和积累，而且由于粉煤灰综合利用率低，导致其对环境构成极大的威胁。 粉煤灰应用于污水处理可以实现以废制废，所以成为近年来水处理领域的一个热门课题。由于粉煤灰的吸附容量不高，如果不进行预处理，直接净化染料废水的能力差，而且处理废水的后道工序比较麻烦，甚至可能造成二次污染。近年来，国内外专家学者加强了对粉煤灰的预处理、改性、活化以及和其它助凝剂的协同作用研究。如：Talman等用粉煤灰来处理水中的甲苯胺蓝染料，并研究了阳离子和阴离子型表面活性剂对吸附性能的影响。结果发现阳离子型表面活性剂使粉煤灰对甲苯胺蓝的吸附性能降低，而阴离子型表面活性剂则会提高粉煤灰对甲苯胺蓝的吸附。兰善红等采用粉煤灰固定化絮凝剂和微生物来协同处理印染废水，废水在吸附、絮凝、沉降、过滤和微生物降解等协同作用下，取得了良好的处理效果。朱洪涛等将一定比例的熟石灰和粉煤灰在高温下活化制得改性粉煤灰，在pH为5-10，投加量为40g/L时，改性后的粉煤灰对60mg/L的活性艳兰染料的脱色率达98%以上。杨静等使用硫酸处理粉煤灰，利用改性粉煤灰的混凝作用、吸附作用处理,COD 去除率基本稳定在85%以上, 色度去除率高达 95%, 对悬浮物的去除效果好。虽然，这些方法一定程度上提高了粉煤灰的吸附性能，增强了其脱色效果，但仍存在灰投加量较大，脱色率偏低，降解不彻底，造成二次污染等问题。 本课题采用H2SO4对粉煤灰进行活化处理，打开封闭的空穴，提高其比表面积，增强其吸附性能；再利用液相沉淀技术负载光催化材料ZnO或CeO2制备活化粉煤灰/ZnO或CeO2复合材料。该复合材料将活化粉煤灰的吸附性能与ZnO或CeO2光催化降解作用有机结合，显著提高了染料的脱色率，有效减少了粉煤灰的投加量，同时反应条件温和、无二次污染,显示出良好的应用前景。此外，系统研究了多种因素对脱色率的影响，并通过X射线衍射、扫描电镜、能量色散谱等分析了改性前后粉煤灰的物相结构、微观形貌、组成元素的变化，以探讨化粉煤灰/ZnO或CeO2复合材料的脱色机理，为粉煤灰处理印染废水的实际应用提供理论及实验指导。
