粉煤灰对氨氮废水的吸附研究毕业论文.doc 23页

'目录粉煤灰对氨氮废水的吸附研究毕业论文目录1文献综述及选题11.1粉煤灰的性质和研究现状11.1.1粉煤灰的来源11.1.2粉煤灰的排放11.1.3粉煤灰的物理特性21.1.4粉煤灰的化学组成21.1.5粉煤灰的活性31.1.6粉煤灰对环境的危害41.1.7粉煤灰的处理和利用概况51.2氨氮废水的现状71.2.1氨氮废水的来源81.2.2氨氮废水的危害81.2.3氨氮废水的处理方法81.3论文选题的背景、意义及主要研究内容101.3.1论文选题的背景及意义101.3.2论文主要研究内容102实验部分112.1实验原理112.2实验仪器及原料分析112.2.1实验仪器及装置112.2.2分析装置112.2.3实验所用基本原料112.3实验过程122.3.1纳氏试剂的配制122.3.2酒石酸钾纳溶液132.3.3水样预处理132.3.4标准曲线的绘制132.3.5配制的氨氮废水的吸附实验143结果与讨论153.1氨氮浓度对氨氮去除率的影响153.2吸附时间对氨氮去除率的影响153.3粉煤灰和活性炭对配制氨氮废水的吸附效果163.4粉煤灰和活性炭对氨氮吸附机理的差异174结论及建议194.1结论19II 目录4.2建议19参考文献20致谢21II 榆林学院本科毕业设计1文献综述及选题1.1粉煤灰的性质和研究现状1.1.1粉煤灰的来源粉煤灰的燃烧过程：煤粉在炉膛中呈悬浮状态燃烧，燃煤中的绝大部分可燃物都能在炉内烧尽，而煤粉中的不燃物(主要为灰分)大量混杂在高温烟气中。这些不燃物因受到高温作用而部分熔融，同时由于其表面张力的作用，形成大量细小的球形颗粒。在锅炉尾部引风机的抽气作用下，含有大量灰分的烟气流向炉尾。随着烟气温度的降低，一部分熔融的细粒因受到一定程度的急冷呈玻璃体状态，从而具有较高的潜在活性。在引风机将烟气排入大气之前，上述这些细小的球形颗粒，经过除尘器，被分离、收集，即为粉煤灰。粉煤灰又称飞灰(flyash)，一般是指燃煤电厂从烟道气体中收集的细灰，是煤粉进入1300-1500℃的炉膛后，在悬浮燃烧条件下先吸热后冷却而形成的，之后从烟道排出，被收尘器收集。在上述高温下，煤粉颗粒会发生一系列的物理化学变化。首先，受高温后的煤粉达到熔融状态后由于表面张力使表面能达到最小，不规则的煤粉颗粒会收缩成为球状。其次，这些球状颗粒在充分燃烧离开火焰区域后，还会与低温区域的CO、CO2、SO2及水蒸汽发生二次反应，进行聚合和解聚。由于各电厂选择燃煤的不同、使用锅炉类型的不同、锅炉内部燃烧状况不同等因素的影响，产生的粉煤灰也不尽相同。1.1.2粉煤灰的排放粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，中国是能源大国，煤炭在能源结构中的比例达到75%，虽然这一比例总体趋于下降，但以煤为主的能源结构在较长的时间内不会发生根本性的变化，而且国内的电力工业是以火力发电为主，它每年耗煤5.4×108t以上。一般而言，每燃烧1000kg煤，就能产出250-300kg粉煤灰和20-30kg的炉渣。无论是煤粉炉还是沸腾炉，灰渣排放量约为燃煤总量的1/3。因此，粉煤灰的年产出量十分巨大。据统计，1995年粉煤灰年排放量为l.25×108t，到2000年达到l.53×108t，到2010年已达到2.7×108t以上[1]，估计目前粉煤灰年排放量达3.0×108t。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，粉煤灰的处理和利用问题引起人们广泛的注意。粉煤灰对人体的危害极大，它富集了大量砷、铅和硒等危害人体健康的重金属物质和其他污染物，这些重金属物质会在人体不断累积，并有可能诱发多种癌症。若想长远地彻底解决粉煤灰污染问题，根本的方法只有调整能源结构，大力提高能效，发展可再生能源，尽早摆脱对煤炭的过度依赖。21 榆林学院本科毕业设计1.1.3粉煤灰的物理特性粉煤灰是以颗粒形态存在的，且这些颗粒的矿物组成、粒径大小、形态各不相同。人们通常将其形状分为珠状颗粒和渣状颗粒两大类。根据北京科技大学宋存义等用扫描式电子显微镜的观察表明，粉煤灰由多种粒子构成，其中珠状颗粒包括空心玻珠(漂珠)、厚壁及实心微珠(沉珠)、铁珠(磁珠)、炭粒、不规则玻璃体和多孔玻璃体等五大品种。其中不规则玻璃体是粉煤灰中较多的颗粒之一，大多是由似球和非球形的各种浑圆度不同的粘连体颗粒组成。有的粘连体断开后，其外观和性质与各种玻璃球形体相同，其化学成分则略有不同。多孔玻璃体形似蜂窝，具有较大的表面积，易黏附其他碎屑，密度较小，熔点比其他微珠偏低，其颜色由乳白至灰色不等。在扫描式电子显微镜下可以比较容易地观察到不规则玻璃体的存在。渣状颗粒包括海绵状玻璃渣粒、炭粒、钝角颗粒、碎屑和粘聚颗粒等五大品种。正是由于这些颗粒各自组成上的变化，组合上的比例不同，才直接影响到粉煤灰质量的优劣。粉煤灰的物理性质包括密度、堆积密度、细度、比表面积、需水量等，这些性质是化学成分及矿物组成的宏观反映。由于粉煤灰的组成波动范围很大，这就决定了其物理性质的差异也很大。粉煤灰的物理性质中，细度和粒度是比较重要的项目。它直接影响着粉煤灰的其他性质，粉煤灰越细，细粉占的比重越大，其活性也越大。粉煤灰的细度影响早期水化反应，而化学成分影响后期的反应。粉煤灰外观类似水泥，组分中的含炭量使其着有由呈浅灰色到灰黑色等不同颜色。粉煤灰的颜色与Fe2O3及残留炭含量有关，Fe2O3及残留炭含量越高，粉煤灰颜色越深，反之则越浅外，比重、松散干容重、孔隙率、细度等也是反映粉煤灰物理特性的指标。　粉煤灰的基本物理性质：（1）比重粉煤灰比重较天然土壤小，为1.8-2.8g/cm3，粒径为0.5-100um，大部分在45um以下。（2）松散干容重指干粉煤灰在松散状态下的单位体积的重量，一般600-1000kg/m3，压实容重可达1300-1600kg/m3。（3）孔隙率指粉煤灰中孔隙体积占总体积的百分率，一般为60-75%。（4）细度指粉煤灰颗粒的大小，常用45μm筛筛余量或比表面积表示。粉煤灰细度一般为45μm筛筛余量10-20%，或比表面积为2700-3500cm2/g。1.1.4粉煤灰的化学组成粉煤灰是一种人工火山灰质混合材料，它本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时，能在常温，特别是在水热处理(蒸汽养护)条件下，与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。21 榆林学院本科毕业设计就化学成分来讲，粉煤灰是由硅、铝、铁、钙、碳等元素为主的氧化物和铜、镍等微量元素以及锗、镓、锢等稀有金属组成的细粉料。由于煤种及燃烧条件的不同，各地粉煤灰的化学成分有一定波动，但其主要成分是基本相似的。大部分粉煤灰的化学组成主要包括二氧化硅(SiO2)、氧化铝(A12O3)、三氧化二铁(Fe2O3)、氧化镁(MgO)、氧化钾(K2O)、氧化钠(Na2O)、氧化钙(CaO)、硫化铁(FeS)等等。随煤质不同，少数地区的粉煤灰中还含有锗、锡、汞、铬、钒、砷、铅、磷、锰、硼、铀等其他成分。粉煤灰中氧化硅与氧化铝的总量一般在60%以上。我国粉煤灰的化学组成平均值见表1.l表1.1我国粉煤灰的化学组成平均值成份SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OK2O烧失平均值50.627.27.02.81.20.30.51.38.2粉煤灰中的矿物来源于母煤。母煤中含有硅酸盐类粘土矿和氧化硅、黄铁矿、赤铁矿、磁铁矿、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、氯化物等矿物，而以硅酸盐类粘土矿和氧化硅为主。因而，粉煤灰的矿物组分也十分复杂，主要可分成无定形相和结晶相两大类，无定形相主要为玻璃体，约占粉煤灰总量的50-80%，结晶相主要有莫来石、石英、赤铁矿、磁铁矿等。我国粉煤灰的矿物组成见表1.2。表1.2粉煤灰的矿物组成矿物名称石英莫来石赤铁矿磁铁矿玻璃体范围均值0.9-18.58.12.7-34.121.20-4.71.10.4-13.82.850.2-79.060.41.1.5粉煤灰的活性粉煤灰的活性也叫“火山灰活性”，是指其具有这样一些性能：(l)其成分中以SiO2和Al2O3为主(75-80%)，且含有相当多的玻璃体或其他无定形物质；(2)本身无水硬性；(3)能与Ca(OH)2等发生反应，生成一系列水化产物—凝胶；(4)上述水化产物不论是在水中还是空气中都能硬化产生明显的强度。粉煤灰的主要成分玻璃体蕴含有较高的化学内能，具有良好的化学活性。粉煤灰的活性不仅决定于它的化学组成，而且与它的结构特征有着密切的关系。无定形相—偏高岭石和γ-A12O3的最基本结构是硅氧四面体和铝氧四面体，在四面体中，中心是硅或铝原子，每个硅或铝原子的周围有四个氧原子。图1.1为硅(或铝)氧四面体的示意图：图1.l中的黑圆点代表硅(或铝)原子，白圆圈代表氧原子。21 榆林学院本科毕业设计图1.1硅或铝氧四面体示意图1.1.6粉煤灰对环境的危害粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害，其对环境的影响一方面在于自身的直接影响，另一方面也越来越表现在其间接影响上。虽然大量的研究结果可以使人们对粉煤灰的危害做出比较客观的评价，但如果处置不当或者使用不当就有可能对环境造成危害。粉煤灰对环境的危害主要体现在以下几个方面：（1）侵占土地。粉煤灰不加利用或不能完全利用时必然占地堆放，堆积量越大，占地越多。据估算，每堆积10000t粉煤灰等固体废物，约需地1亩，造成土地资源的浪费。（2）污染土壤和地下水。堆放的粉煤灰、悬浮于大气中的粉煤灰降落到地面都会污染土壤，其中的有害物质也很容易随着渗滤液而污染地下水。因此，一方面会造成土质碱化，破坏了土壤的生态平衡，另一方面人类的健康受到潜在威胁。（3）污染水体。除对地下水的污染外，粉煤灰对水体的污染主要是电厂湿法排灰将大量粉煤灰直接排入江河湖泊中造成的。粉煤灰进入水体，使水体浊度大大增加，形成的沉积物会将河床堵塞、使湖泊变浅，悬浮物和可溶物会恶化水质，而且粉煤灰中的有害元素会溶解于水体中，妨害水生生物的生存和水资源的合理利用。（4）污染大气。微粒是大气主要污染物的一种，其粒径在0.02-500μm之间，如前述，粉煤灰的粒径正处于其间。另外，细颗粒能长时间漂浮在大气环境中，随气流进行远距离输送，造成区域性环境污染。而贮存于灰场的干燥粉煤灰，只要有四级以上的风力，即可将表层灰粒剥离扬弃，扬灰高度可达20-50μm，悬浮于大气中的粉煤灰不仅影响能见度，而且使空气质量显著下降，造成污染。（5）潜在的放射性污染。在少数情况下，粉煤灰可能在其被再利用产生放射性污染，例如用粉煤灰制造的建筑材料用于工程施工。粉煤灰对人体健康的影响主要源于下述方面：21 榆林学院本科毕业设计（1）污染水体后，特别是有毒的铬、砷等元素摄入人体会造成多方面器官损害。（2）污染土壤及农作物后，通过食物链传递进入人体，从而在人体内积累有毒物质，影响人体健康。（3）污染大气后，粉煤灰尘埃吸入鼻咽内，可引起肥大性鼻炎，小于5μm的可吸入性粉尘可沉降在肺内，形成煤尘肺，轻者影响工作，重者可导致劳动力丧失，直至死亡，对人体健康危害极大[2]。1.1.7粉煤灰的处理和利用概况（1）处置原则粉煤灰是我国当前排量较大、较集中的工业固废之一。随着电力工业的发展，特是燃煤电厂的发展，粉煤灰的排放量逐年增加。因此，粉煤灰的处理和利用问题引起们广泛的注意。资源的综合利用已逐渐成为我国的一项长期基本国策，对于资源优化配置和可持发展都有重要意义。粉煤灰的处理和利用问题，是环境保护部门的重要课题。固体废的处理原则，首先是要实现固体废物排放的最佳控制，也就是说要把排放量降低到最小程度，不可避免地要排放的固体废物，要进行综合利用，使之再资源化，目前条件下能再利用的，要进行无害化处理，最后合理地还原于自然环境中。在固体废物再资源过程中，需要采用各种处理技术。（2）通过分选利用其中的可利用资源粉煤灰中含有碳、铁、铝以及粉煤灰空心微珠等有用组分，国内外对粉煤灰分选产品应用作了大量的研究工作，并在以下方面取得了一定的进展。①从粉煤灰中选炭电厂使用燃煤时由于原煤或燃烧技术上的原因，煤粉在锅炉内燃烧不完全，煤粉含炭量仍有留存部分，按我国目前年排放粉煤灰l.8×108t、炭留存率2%计算，全国年从电站粉煤灰中流失纯炭可达数百万吨。脱炭可以用浮选法，也可以用电选法。张覃等对贵州某地粉煤灰测定后进行了浮条件试验，并对浮选产品进行扫描电镜、X射线衍射分析，通过对粉煤灰浮选试验进行单因素考察，发现浮选浓度、浮选药剂用量是分选效果最重要的影响因素，浮选效果是浮选产品利用的关键[3]。青海桥头电厂实业总公司粉煤灰开发公司采用长沙电冶研究院研制YD31300-21F型粉煤灰电选脱炭机，处理烧失量在10-15%原状灰，得到符合国家标准、烧失量在5%以下、产率在50%左右的一级粉煤灰，产生了良好的经济效益。②从粉煤灰选铁由于原煤中含有黄铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等铁矿物，经电厂锅炉高温燃烧，铁矿物质即转变为磁铁氧化铁，粉煤灰中含铁量(一般以Fe2O3表示)一般为8-29%.目前各电厂大多采用湿法磁选工艺从粉煤灰选铁，所选出的铁精矿可冶炼生铁，也可直接应用于建材、治金、耐火材料、陶瓷等行业。③从粉煤灰中提取氧化铝21 榆林学院本科毕业设计粉煤灰中氧化铝的含量一般可达到20-35%，最高可达50%左右，可代替铝土矿成为一种很好的氧化铝资源。用石灰石烧结工艺从粉煤灰提取氧化铝，在国外己有较深的研究，并已投入工业生产。我国也进行了这方面的试验研究，徐晓军等利用工业钦白废酸进行提取，研究表明该法具有较大的环境、经济和社会效益。④从粉煤灰中提取玻璃微珠空心玻璃微珠具有颗粒小、质轻、空心隔热、隔音、耐高温和低温、耐磨、强度高及电绝缘等优异的多功能特性，可广泛用于下列几方面：作为轻质、高强、耐火、防火、隔热保温等建筑材料的原材料；作塑料中较理想的填料，并能提高塑料的耐高温性能；作为石油精炼过程中的一种裂化催化剂；用于制汽车刹车片、军用磨擦片及石油钻机刹车等制器等。目前国内外从粉煤灰中提取空心玻璃微珠，大致可以分为两种方法：一是干法机械分选法；二是湿选分选法。（3）粉煤灰应用于建材和建筑行业粉煤灰在建材和建筑制品工业中的应用是处理粉煤灰的一条重要途径，主要应用在以下方面：①水泥：在水泥行业，粉煤灰主要作为水泥原料以及混合料使用，利用粉煤灰中的SiO2、Al2O3、Fe2O3以粉煤灰代替粘土。替代率受粉煤灰中SiO2/A12O3以及A12O3的比例控制，比值越大，粉煤灰作为水泥原料的使用量就越大。②骨料：粉煤灰在骨料领域的使用主要是利用了粉煤灰中的未燃烬炭以SiO2，A12O3和CaO，从而制得人造轻质材料。③建筑材料：粉煤灰在建筑业主要用于制造混凝土二次制品、内外墙壁材料、陶瓷以及保温材料等，可替代水泥或石英。④土木：在土木行业，主要利用粉煤灰的颗粒密度较小、泥质成份较多、压密系数较大以及压缩性较低的特性，以代替砂质，如：沥青填料(单独加入或经加工取代石灰石粉)；路基、路面材料(混合用或替代砂、砾、水泥，与石灰混合)；改良材料(与水泥或石灰混合使用)；充填材料(代替废石、废渣、废泥或与之并用充坑)。（4）粉煤灰应用于农业粉煤灰颗粒细、孔隙度好，同时它还含有磷、钾、镁、硼、铜、锰、钙等植物生长所必需的营养元素。因而可以作为土壤的改良剂，并用它生产复合肥料。粉煤灰与有机质废弃物(动植物残渣，家畜粪尿等)混合发酵，可制得特殊肥料，而粉煤灰与钾原料热处理可制得钾肥。同时，粉煤灰可有效地作为植物的营养成份使用，在掩埋的粉煤灰上面可种植植物。由于粉煤灰中有未燃尽炭，且碱性较低，因而粉煤灰与生物体亲和性较好，利于藻类等的繁殖，可用来营造人造渔场。上海交通大学发明了一种污泥和粉煤灰混合造粒净化气体生产颗粒复合肥料的法，利用脱水污泥，以秸秆碎粉和粉煤灰为分散剂，将三者混合搅拌后进行微生物发酵处理，然后掺和一定量的脱硫剂，搅拌练泥并适当干燥，使混合泥料水分达到10-28%，通过造粒机产生粒径为1-20mm21 榆林学院本科毕业设计的颗粒:采用闪蒸方法将颗粒活化后送入气体净化装置，用来脱除气体中的H2S、SOX和NOX等有害气体。在热流环境的作用下，净化装置内发生颗粒干燥和气体净化反应。从尾部排出的颗粒经筛选后采用重金属钝化剂进行钝化处理，所获得的颗粒就是一种非常理想的颗粒复合肥料，可为盐碱地土壤绿化造林和植物栽种采用。本发明的方法可以做到以废治废，并实现资源化利用[4]。（5）粉煤灰在环境保护方面的应用随着人们环保意识的增强，粉煤灰在环境保护领域的应用研究己经成为环境科学的新热点，目前的应用研究主要集中在以下三个方面:①在氨氮废水处理方面的应用当前用粉煤灰处理氨氮废水的研究报道很多。粉煤灰对工业氨氮废水中的NH4+，NO3-，PO43-均有一定的吸附能力[5]。粉煤灰还具有一定的除臭能力，董树军、张建平等人用粉煤灰处理生活污水，不仅使污水颜色由棕色变为清澈透明，而且无臭无味[6][7]。粉煤灰的主要化学成份是SiO2、A12O3，还含有大量的氧化钙、氧化铁，未燃尽炭等。这些成份具有吸附性，同时粉煤灰呈多孔蜂窝性组织，具有很大的比表面积，具有固体吸附剂的性能，因此可以用粉煤灰来处理废水。粉煤灰对废水的处理机理主要有：吸附机理、接触凝聚机理、沉淀机理和过滤机理。由于粉煤灰价廉，且它对废水中COD(BOD5)、色度、重金属等有较好的去除效果。因此，用粉煤灰作吸附剂处理废水是一种既经济又相对有效的废水处理技术。目前，主要在下面几个方面用粉煤灰来处理废水：a.城市污水；b.染色废水；c.造纸、化纤废水；d.重金属废水；e.含油污水；f.含氟废水；g.酸性废水。②在废气处理方面的应用当前常见的废气分为5类：(l)以二氧化硫、三氧化硫为代表的硫氧化合物；(2)以一氧化氮、二氧化氮为代表的氮氧化合物；(3)以一氧化碳、二氧化碳为代表的碳化合物；(4)以多环芳烃类物质为代表的碳氢化合物；(5)以氯化氢、溴化氢为代表卤素化合物。粉煤灰主要用来处理一、二类废气。日本北海道电力公司1990年研究现用粉煤灰、石灰和石膏制成的脱硫剂性能良好，1991年和三菱公司据此联合开LILAc脱硫工艺，在烟气处理量为1000Nm3/h时，在△T为15-17℃、Ca/S为1.2时，脱硫为75%;降低△T，脱硫率可提高至80-90%[8]。③在噪声防治中的应用粉煤灰中的漂珠是一种很好的多孔吸附材料，利用浮选方法回收漂珠后可制得隔声材料。由粉煤灰制成的GRC圆孔隔墙板面密度0-55kg/m3，仅为同厚度粘土砖墙的l/6，具有重量轻、强度高、防火与耐水性能好、生产成本低、运输安装方便等优点，若再采用边肋与面板一次复合成型结构，组成双层GRC隔墙板夹气层结构，隔声指数大于45dB，可达到国家二级或一级隔声标准，接近24cm的厚实心砖墙的隔声效果，能满足工程上对隔声降噪性能的要求[8]。1.2氨氮废水的现状21 榆林学院本科毕业设计1.2.1氨氮废水的来源近年来，随着工农业的快速发展，氨氮污染源越来越广泛，大量氨氮废水排入水体，导致我国主要河流、湖泊、水库的水质恶化日趋严重，水体富营养化程度日益加深，这不仅对水体生态环境产生不利影响，而且给城镇居民饮水用水安全构成威胁。因此，去除废水中的氨氮已成为当今环境污染治理的一个热点和难点。目前，氨氮污染的来源多，且排放量较大。如工业部门的钢铁、石油化工、化肥、无机化工、玻璃制造、制药废水和食品工业等排放的各种浓度的氨氮废水；日常生活中的污水、垃圾填埋场渗滤液、动物排泄物、肉类加工和饲养业等产生的废水也含有大量的氨氮。工业生产过程中的氨损失造成的氨氮排放也相当惊人。1.2.2氨氮废水的危害近年来，随着化肥、石油化工等行业的迅速发展壮大，由此而产生的高氨氮废水也成为行业发展制约因素之一；据报道，2001年我国海域发生赤潮高达77次，氨氮是污染的重要原因之一，特别是高浓度氨氮废水造成的污染使水体富营养化。富营养化会影响水体的水质，会造成水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的过饱和状态。溶解氧的过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物有害，造成鱼类大量死亡。同时，因为水体富营养化，水体表面生长着以蓝藻、绿藻为优势种的大量水藻，形成一层“绿色浮渣”，致使底层堆积的有机物质在厌氧条件分解产生的有害气体和一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害鱼类。因富营养化水中含有硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，也会中毒致病。1.2.3氨氮废水的处理方法现阶段脱氮的方法有主要有物理化学法和生物法两大类。物理化学法主要有空气吹脱法、折点氯化法、吸附法、化学沉淀法、液膜法等。生物脱氮法可去除多种含氮化合物，总氮去除率可达70%-95%，主要有传统硝化反硝化、短程硝化反硝化、同时硝化反硝化、厌氧氨氧化。有时要采取多种技术的联合处理才能取长补短达到较好的处理效果。对于城市污水而言，一般来说生物脱氮的可行性和经济性要优先于其它脱氮工艺。但在某些特殊情况下，如工厂内部的治理，采用化学法脱氮工艺更适用。（1）空气吹脱法空气吹脱法是利用水中组分的实际浓度与该组分平衡浓度之间的差异，使氨氮转移至气相而去除。废水中的氨氮通常以氨离子和游离氨的状态保持平衡而存在，将废水pH值调节至碱性时，离子态氨可转化为分子态氨，然后通入空气将氨吹脱出。由于氨气的释放会造成空气污染，该工艺己有多种改进，例如使吹脱塔的气体通过H2SO4溶液以吸收NH3[9]。（2）折点加氮法折点氯化法去除氨氮是将氯气或次氯酸钠投入污水，将污水中NH4+-N氧化成N221 榆林学院本科毕业设计的化学脱氮工艺。其反应方程式为：2NH4++3HClO→N2+3H2O=5H++3Cl-此法最大的优点是通过适当的控制，可完全去除水中的氨氮。为了减少氯的投加量，此法常与生物硝化联用，先硝化再除微量的残留氨氮。（3）吸附法NH4+-N也可以通过离子交换从水中去除，常用的离子交换剂是沸石。张曦等进行了氨氮在天然沸石上的吸附研究，实验表明：随着溶液氨氮浓度的增大或温度的升高，沸石吸附量上升沸石的吸附特性符合Freundhch吸附规律[10]。（4）化学沉淀法化学沉淀法是通过向废水中投加适当化学药剂，使之与废水中的某些溶解性污染物质发生反应，形成难溶盐沉淀下来，从而降低水中溶解性污染物浓度的方法[11]。潘碌亭等研究了复合药剂(XOF)对水中氨氮的去除效果,结果表明：XOF在浑浊水中充分利用氧化絮凝协同作用对氨氮有较高的去除效果，在pH值为7-8、投加量为药剂与氨氮质量比10:l、反应时间20min的条件下，复合药剂(XOF)的氨氮去除率最高[12]。（5）传统硝化反硝化传统硝化反硝化工艺脱氮处理过程包括硝化和反硝化两个阶段，硝化阶段是将污水中的氨氮氧化为亚硝酸盐氮或硝酸盐氮的过程，反硝化阶段是将硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐还原成氮气的过程。影响硝化反应的主要因素有：有机碳源、污泥龄(SRT)、溶解氧(DO)、温度、pH值、C/N比及有害物质的存在等。影响反硝化反应的主要因素有：有机碳源、温度、pH值及溶解氧等。（6）短程硝化反硝化短程硝化反硝化又称亚硝化反硝化，是把硝化反应过程控制在氨氧化产生NO2-的阶段，阻止NO2-进一步氧化，直接以NO2-作为菌体呼吸链氢受体进行反硝化。实现短程硝化与反硝化的关键是抑制硝化菌的活性而使NO2-得到累积。影响硝化菌活性及NO2-累积的因素有自由氨、pH、DO、温度等。（7）同步硝化反硝化同步硝化反硝化是指某些微生物在特定条件下可以同时进行硝化和反硝化，因而硝化过程和反硝化过程可以在同一反应器中、相同操作条件下同时发生。与传统硝化反硝化生物脱氮法相比，该法具有以下优点：其一，硝化过程和反硝化过程可以在一个反应器内同时进行，可节省更多的占地面积；其二，避免NO2-氧化成NO3-及NO2-再还原成NO2-这两个多余的反应，从而可节省氧和40%以上的补充碳源；其三，碱度消耗减少。（8）厌氧氨氧化厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，微生物直接以NH4+作为电子供体，以NO2-或NO3-为电子受体，将NH4+、NO2-或NO3-转变成N2的生物氧化过程。21 榆林学院本科毕业设计荷兰Delft大学采用SHANRON-ANAMMOX工艺处理污泥消化液上清液的研究表明:在不控制SHANRON反应器pH值、进水总氮负荷为0.8kg/(m3·d)的条件下，上清液中的氨被转化为NO2-产生的NO3-占总硝态氮的11%。所产生的氨和NO2-混合液适合于ANAMMOX工艺的脱氮处理，氮的总去除率达到83﹪[13]。1.3论文选题的背景、意义及主要研究内容1.3.1论文选题的背景及意义目前，我国的粉煤灰利用率仅为约50%，主要用于水泥生产、填方、墙体材料等用途。陕西省是能源大省，尤其是陕北地区，陕北经济的主要架构是采煤、发电和煤炭转化。我省每年要排放大量粉煤灰，随着我国重化工业经济的快速发展、用电量的增加速度大大高于GDP的增长速度，所以由此造成粉煤灰排放量增速很快，粉煤灰的大量堆置占用大量土地，而且严重污染了环境，己成为陕北主要污染之一。粉煤灰可以制取沸石分子筛等一些吸附材料，用粉煤灰合成这些吸附材料具有原料来源广一泛、成本低的特点，而且可以变废为宝，处理工业废物、净化污水和气体等，对环境保护的意义重大。以粉煤灰合成沸石分子筛等吸附材料的的研究，己经有30年的历史。通过广大科技工作者的努力，国外已经探索出了半工业化合成的技术，可以预计距离工业化生产的实现己为期不远。我国能源结构以燃煤为主，粉煤灰排放量巨大。粉煤灰合成沸石的实现具有重大的意义：1.利用工业废料，节省其他工业原料；2.降低粉煤灰对环境的危害，减少土地占用；3.降低生产成本，扩大沸石的应用领域，尤其是可以实现以废治废；4.具有循环经济的巨大示范作用，扩大煤炭产业的价值链。对于废水中氨氮的处理方法主要有化学法和生物方法。虽然它们能够在水处理中发挥重要作用，但几种方法处理成本高、投资大，生物法对氨氮的处理效果较差，而且许多工业废水中氨氮的浓度很高，这些废水很难或根本不能用常规的生物法去除。吸附法在废水处理中有着不可取代的作用，目前，工业上普遍使用的活性炭吸附剂价格昂贵，使吸附法广泛应用受到限制。因此，开发廉价高效水处理用吸附剂将是吸附剂研究的一个重要方向。1.3.2论文主要研究内容通过分析和总结，确定本论文的研究内容具体如下:(1)直接以NH4Cl为主要原料，配制氨氮废水，以此代替工业氨氮废水；(2)以粉煤灰为吸附剂，探索其对含氨氮的废水进行处理的可行性及优点；(3)采用活性炭为吸附剂，处理氨氮废水；(4)实验完成后，对比分析粉煤灰和活性碳的吸附性能和吸附机理的差异；(5)在现有条件下，总结取得的成果与不足。21 榆林学院本科毕业设计2实验部分2.1实验原理粉煤灰是燃煤热电厂排出的废弃物，其主要组分为A12O3、SiO2、CaO、Fe2O3等(占总量的90%左右)，同时含有少量的其他组分。粉煤灰由很多具有不同结构和形态的微粒组成，其中大多数是玻璃球体。粉煤灰具有多孔结构，比表面积很大，一般在2500-5000m2/g，具有较强的吸附能力。粉煤灰与氨氮废水作用后吸附废水中的氨氮，使氨氮废水浓度降低，通过测定吸附后废水的吸光度进而得出吸附后浓度，最后得出结论。碘化汞和碘化钾的碱性溶液与氨反应生成淡黄棕色胶态化合物，其色度与氨氮含量成正比,通常可在波长420nm时测其吸光度，计算其含量。本法最低检出浓度为0.025mg/L(光度法),测定上限为2mg/L。2.2实验仪器及原料分析本实验以粉煤灰、活性炭为吸附材料，以NH4Cl和无氨水（超纯水代替）为原料配制的氨氮废水。2.2.1实验仪器及装置仪器名称生产厂商FA2204B电子天平上海精密科学仪器有限公司101型电热鼓风干燥箱上海树立仪器仪表有限公司78-1型磁力加热搅拌器重庆吉祥教学实验设备有限公司180目筛子上海业宝金属制品有限公司2.2.2分析装置755B紫外可见分光光度计上海菁华科技仪器有限公司工作条件：波长范围：200-1000nm吸光度测量范围：-0.301A-1.999A2.2.3实验所用基本原料实验所用基本原料是粉煤灰、活性炭、分析纯NH4Cl。（1）粉煤灰①取样选用取自锦界国华电厂采集的粉煤灰，其化学成分如表2.1所示。21 榆林学院本科毕业设计表2.1锦界国华电厂粉煤灰成分组成（％）化学成分含量％SiO240.36A12O314.47CaO10.06Fe2O34.128K2O2.507Na2O1.240MgO0.929MnO0.112②分析其一，原料粉煤灰中的主要化学成分为SiO2和A12O3，其含量分别为40.36%、14.47%，总和达到58.83%，且SiO2/A12O3值为4.7。其二，电厂运行温度较低，粉煤灰中的未燃尽含碳量很高，约为11%。③预处理将粉煤灰用球磨机粉碎、过筛至通过180目，再放入干燥箱中干燥（105℃），其目的是增大原料的反应面积，增强其反应活性。（2）化学试剂实验所用化学试剂均为市售分析纯级，列表如下：名称规格生产厂商无氨水（超纯水代替）AR实验室提供NH4ClAR天津市津北精细化工限公司KI（含量>98.5%）AR天津市天力化学试剂有限公司HgI2AR烟台市海润化工有限公司NaOHAR郑州派尼化学试剂厂酒石酸钾钠（KNaC4H4O6.4H2O）AR天津市瑞金特化学品有限公司2.3实验过程以配制的氨氮废水为研究对象，重点探讨粉煤灰对不同浓度氨氮的吸附性能及吸附机理，作用时间设定为10~120min。2.3.1纳氏试剂的配制测定氨氮最常用的方法是纳氏试剂比色法，本实验采用紫外分光光度法测量氨氮废21 榆林学院本科毕业设计水中的氨氮浓度。实验具体步骤如下所述：称取16g氢氧化纳，溶于50mL水中,充分冷却至室温。另称取7g碘化钾和10g碘化汞(HgI2)溶于水，然后将此溶液在搅拌下徐徐注入氢氧化纳溶液中，用水稀释至100mL，贮于聚乙烯瓶中，密塞保存。2.3.2酒石酸钾纳溶液称取50g酒石酸钾纳（KNaC4H4O6·4H2O）溶于100mL水中，加热煮沸以除去氨，放冷，定容至100mL。2.3.3水样预处理若水样澄清，则可加入一种络合剂如酒石酸钾钠、EDAT等，消除干扰。2.3.4标准曲线的绘制通过氨吸附，可以求得粉煤灰在溶液中对NH4+粒子的吸收程度，进而可以反映粉煤灰具有吸附的性质。（1）氯化按标准溶液配制及吸光度测定取分析纯氯化氨适量，在100℃下干燥一段时间后，称取3.8190g溶于蒸馏水中，移入1000mL容量瓶中，稀释至标线，此溶液氨氮浓度为1.0×103mg/L，所配制溶液为氨标准储备溶液；再将氨标准储备溶液精确配制成浓度为0.0、0.1、0.2、0.6、1.0、1.4和2.0mg/L的氨标准使用溶液。吸光度测试采用755B型紫外分光光度计，其原理是通过测量溶液中物质对光的吸收程度而测量物质含量的方法。首先选定一空白溶液(一般为蒸馏水)作为参比溶液，于分光光度计上测定其透过率，并将该透过率作为100%(其吸光度及浓度均为0)；然后将浓度为0.0、0.1、0.2、0.6、1.0、1.4和2.0mg/L的氨标准使用溶液各取5mL分别加入锥形瓶中，加1.0ml酒石酸钾钠溶液，混匀。加1.5mL纳氏试剂，混匀。放置10min后，在波长420nm处，以水为参比，测定吸光度。上述不同浓度的标准溶液分别于光度计上测定的吸光度，经扣除空白值后的测试结果列于表2.2。表2.2氯化铵溶液浓度与相关的吸光度关系序号1234567浓度C(mg/L)吸光度A000.10.0150.20.0840.60.1781.00.3051.40.4172.00.606（2）氯化氨标准曲线绘制以表2.2中浓度C对吸光度A作图，可得氯化钱标准曲线如图2.1所示。由图2.21 榆林学院本科毕业设计1可见，浓度C与吸光度A在标准浓度范围内满足线性关系，通过拟合可得R值为0.99915，标准曲线方程为A=0.303C。该方法在测定时对氨氮的浓度有限度，其测定下限为0.025mg/L，上限为2mg/L。在该范围内，通过测定待测溶液的吸光度值即可利用标准曲线查出该溶液的氨氮浓度。图2.1氯化铵标准曲线2.3.5配制的氨氮废水的吸附实验在数个锥形瓶中各加50mL含氨氮废水，再加一定量的粉煤灰和活性炭（两组，平行实验），经搅拌器搅拌后置于振荡器上。在室温下振荡一定时间后过滤，清液用酒石酸钾钠和纳氏试剂(称取16g氢氧化钠，溶于50mL水中，充分冷却至室温。另称取7g碘化钾和碘化汞(HgI2)溶于水,然后将此溶液在搅拌下徐徐注入氢氧化钠溶液中。用水稀释至100mL,贮于聚乙烯瓶中,密塞保存。)处理，用紫外分光法进行测定分析，每次实验均做空白对比并计算废水中氨氮的去除率以及粉煤灰和活性炭的吸附量。空白试验：以无氨水代替水样，做全程序空白测定（无氨水：可用超纯水代替）。21 榆林学院本科毕业设计3结果与讨论3.1氨氮浓度对氨氮去除率的影响为研究粉煤灰对不同浓度氨氮废水的去除效率，用模拟含氨氮废水标准溶液配制不同浓度的水样。分别在浓度为10、25、50、100和200mg/L的50mL氨氮水样中加入5g粉煤灰，经搅拌振荡后，取清液进行分析测定。实验数据见表3-1，关系曲线如图3.1所示。表3.1氨氮浓度与氨氮去除效率的关系样品号灰水比吸附前浓(mg/L)吸附后浓(mg/L)去除效率%110104.2058.002102510.9556.203105020.3059.4041010041.8558.15510200136.8831.56图3.1氨氮浓度与氨氮去除效率的关系由图3.1曲线可看出，氨氮浓度在120mg/L以下时，粉煤灰对其去除效率较高，均在50%以上。3.2吸附时间对氨氮去除率的影响在含氨氮浓度均为100mg/L的7个50mL原水样中各加入5g粉煤灰，在磁力搅拌器的作用下，每隔一定时间(0.5，1，1.5，2，4，6，8h)取样分析1次，数据如表3.2所示。根据数据画出吸附时间与氨氮去除效率的关系曲线，如图3.2所示。21 榆林学院本科毕业设计表3.2吸附时间与氨氮去除效率的关系样品号吸附时间(h)吸附前浓(mg/L)吸附后浓(mg/L)去除效率%10.510070.1029.902110063.4936.5131.510053.8046.204210048.1051.905410043.0856.926610045.8054.207810045.1354.87图3.2吸附时间与氨氮去除效率的关系由图3.2可知，在振荡4h后基本达到了平衡，效率较高。因此，最佳吸附时间是4~5h。3.3粉煤灰和活性炭对配制氨氮废水的吸附效果准确称取粉煤灰、活性炭各4.00g，2份（平行试验），分别置于100mL锥形瓶中，在各加入40mL（材料与溶液比为1：10）NH4Cl配制的NH4+-N浓度分别为50mg/L、200mg/L、500mg/L的溶液，相同浓度的为一组，共3组。在室温25℃下，放在磁力搅拌器上振动，每隔一定时间（5min、10min、15min、20min、30min、40min、60min、90min、120min、180min、240min、300min、360min）停止振动，静止20min后过滤，取一定体积的滤液（2份）测定NH4+-N的浓度，分析不同吸附时间粉煤灰和活性炭对NH4+-N的吸附量。如表3.3所示。21 榆林学院本科毕业设计表3.3不同作用时间下粉煤灰和活性炭对不同浓度氨氮的吸附容量材料NH4+-N/作用时间/(t/min)(mg/L)5101520304060粉煤灰500.0100.0200.0240.0260.0280.0280.0272000.0350.0620.0840.0960.1250.1100.1605000.1300.2100.2650.3000.3680.3580.425活性炭500.0140.0230.0260.0250.0250.0260.0272000.0160.0500.0960.0850.1050.1100.1355000.1200.2140.2750.2720.2610.2630.255材料NH4+-N/作用时间/(t/min)(mg/L)90120180240300360粉煤灰500.0270,0280.0280.0290.0310.0302000.1980.2370.2800.3150.3180.3055000.4700.5300.5860.6200.6350.675活性炭500.0280.0290.0290.0280.0300.0292000.1600.1850.1990.2010.2110.2235000.2750.2900.3100.3250.3290.340从表3.3可以看出，粉煤灰、活性炭对浓度为50mg/L、200mg/L、500mg/L的NH4+-N发生物理及化学吸附作用，吸附容量随着作用时间的延长而增加。当氨氮浓度为50mg/L时，粉煤灰的吸附容量略高于活性炭；而氨氮浓度在200mg/L、500mg/L下，粉煤灰的吸附容量大于活性炭，其最大吸附量分别是活性炭吸附量的1.28、1.83倍。由此表明，对于高浓度氨氮溶液，粉煤灰的吸附性能强于活性炭。由表3.2还可知，NH4+-N浓度在500mg/L下，粉煤灰对氨氮的吸附容量最高值达0.675mg/g，其分别是NH4+-N浓度为50mg/L和200mg/L的22.50和2.21倍。可见，溶液氨氮浓度愈高，粉煤灰对其的吸附能力愈强；其原因可能是由于NH4+-N在粉煤灰上的吸附机理除了物理吸附作用外，还进行化学吸附，即静电吸附作用[14-16]。溶液中NH4+-N浓度越大，可供吸附的NH4+-N较多，而且溶液本体与粉煤灰表面形成的浓度差越大，造成NH4+-N向粉煤灰内部迁移并且发生静电引力的动力也越大[17]，因此，粉煤灰的吸附容量增加。3.4粉煤灰和活性炭对氨氮吸附机理的差异从表3.3（在120~360min内，粉煤灰对废水中NH4+-N的吸附容量在0.028~0.675mg/g之间，活性炭的吸附容量在0.029~0.340mg/g之间）可以看出，粉煤灰对废水中NH4+-N的吸附能力均强于活性炭，这可能是因为粉煤灰与活性炭吸附氨氮的机理不同。根据土壤中硅酸盐矿物晶体结构对NH4+的吸持作用，即土壤对铵的固定作用，同时粉煤灰本身也含有大量的硅酸盐和铝酸盐，可以推出，粉煤灰对NH4+-N的吸附不仅有物理吸附而且还有化学吸附。粉煤灰的化学吸附是指粉煤灰中所含的硅酸盐和铝酸盐，在构晶过程由于离子缺陷而使得粉煤灰表面带负电荷[18-20]，水中的NH4+21 榆林学院本科毕业设计带正电荷，它们之间可以发生强烈的静电引力，使NH4+被粉煤灰吸附。而活性炭对NH4+-N的吸附则主要指物理吸附，即靠分子与分子间的范德华力吸附水中氨分子形式的氮[21-22]。综上所述，根据粉煤灰对氨氮的吸附机理，在一定条件下可以用粉煤灰来处理氨氮废水，但就其吸附氨氮的最佳反应条件还有待进一步研究。21 榆林学院本科毕业设计4结论及建议4.1结论（1）粉煤灰对配制的氨氮废水中NH4+-N的吸附能力强于活性炭，并且氨氮浓度高，粉煤灰对NH4+-N的吸附性能愈强。（2）氨氮浓度在100mg/L时，粉煤灰对氨氮吸附最佳吸附时间是4~5h。（3）氨氮浓度在120mg/L以下时，粉煤灰对其去除效率较高，均在50%以上。（4）粉煤灰对NH4+-N的吸附不仅有物理吸附而且还有化学吸附。4.2建议存在的主要问题：（1）粉煤灰具有多孔性结构，比表面积较大，是吸附物质的主要动力。以此为思想，将粉煤灰超细化，增加其比表面积和空隙率，将会增强其表面反应活性和吸附性能。（2）根据粉煤灰的化学成分，选择适当的化学试剂，使其发生化学反应生成粘接剂，将超细粉煤灰粘结在一起，制成成型超细粉煤灰基吸附材料。21 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致谢致谢论文即将完成，四年的学习也将告一段落，回忆这段有付出也有收获的经历，感慨万千。本论文是在白妮老师悉心指导下完成的，四年来恩师在对我的指导和教育中付出了巨大心血，恩师严谨求实的治学态度和学术造诣使我受益非浅，对我以后的学习、生活和工作都将有深远影响。我会牢记恩师的教诲，勤奋工作，回报恩师，回馈社会。在此，谨向我的指导老师白妮表示最诚挚的感谢!在实验完成过程中，王爱民老师给了我许多有益的指导，在此深表谢意。感谢07级化工（2）班所有的同学，四年来的大学学习生活我们一起度过。感谢文中引用资料的所有作者。感谢榆林学院化学与化工学院、图书馆等单位曾给予过我关心和帮助的所有老师和同学。感谢我的父母亲和兄弟姐妹，在我求学过程中，他们给予了我太多的鼓励和帮助，她们是我努力学习的精神源泉。21'