粉煤灰是燃煤电厂、冶炼、化工等行业中煤粉高温燃烧后形成的产物，也是我国排放量最大的工业固体废弃物之一。粉煤灰在形成过程中产生了一定的多孔结构和较大的比表面积，具有一定的吸附能力，因而被广泛用于废水处理。近年来，氨氮废水严重危害水环境质量和人类健康。随着氨氮废水排放标准中氨氮排放浓度指标的不断降低，对低浓度氨氮废水的治理技术要求越来越高，使用固体废弃物粉煤灰处理低浓度氨氮废水得到研究人员的广泛关注。目前主要的研究是通过采用氢氧化钠、硫酸、表面活性剂等物质对粉煤灰进行改性处理，提高粉煤灰对重金属废水、印染废水等废水的处理能力。但在用改性粉煤灰处理低浓度氨氮废水的报道中，氨氮的去除率不超过45%。如何提高粉煤灰对氨氮的去除率成为摆在研究人员面前的难题。本文以山西省太原市第一热电厂的粉煤灰为原料，来研究改性粉煤灰处理氨氮废水的吸附条件。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

（1）实验材料：粉煤灰、氯化铵、酒石酸钠、纳氏试剂、氢氧化钠、盐酸。

（2）实验仪器：紫外可见分光光度计、恒温水浴振荡器、分析天平、pH/电导率/离子综合测试仪、离心机。

1.2 实验方法

（1）改性粉煤灰的制备

本实验改性粉煤灰采用碱性改性方法，具体方法为：将NaOH 与粉煤灰按照一定的比例（质量比0.4∶1）混合均匀后在一定的温度下（400℃）煅烧1 h,，待冷却后研磨过筛（60 目）。取煅烧样和蒸馏水按照一定的比例（固液比1∶1），在四口烧瓶中混合搅拌至恒温水浴锅温度上升到70℃后停止搅拌，恒温凝胶2 h 后升温至100℃后再恒温晶化4 h，待反应完成后将混合物抽滤、洗至中性并在105℃下烘干，冷却后研磨过筛（200 目），如图1 所示。

 （2）正交实验

本实验采用4 因素3 水平（见表1）的多因素正交实验，共9 组实验如表2 所示。

 （3）氨氮去除率的测定方法

在全部研究过程中，主要是采用实验室模拟的方法，处理对象是采用氯化铵与蒸馏水人工配制的浓度为100 mg·L-1 的模拟氨氮废水。氨氮测定采用GB 7479-87 纳氏试剂分光光度法，实验用水采用纯水机直接制备的无氨水。取粉煤灰原料4 g与50mL 氨氮废水在往复式水浴恒温（25℃）振荡器上反应1 h，用离心机分离，取上清液，用纳氏试剂分光光度法测定反应前后溶液中氨氮浓度并根据下式计算其去除率。

 式中：C0——模拟废水中原始氨氮的浓度，mg/L；

Cn——处理后溶液中氨氮的浓度，mg/L。

1.3 实验步骤

（1）调节pH：吸取50 mL 氨氮废水于小烧杯中，通过加入盐酸/氢氧化钠溶液在pH/电导率/离子综合测试仪上调节pH至目标值，转至锥形瓶中。

（2）吸附：将规定量的改性粉煤灰加入到上述锥形瓶中，在往复式恒温（25℃）水浴振荡器中振荡规定时间，取出后静置10 min。

（3）离心分离：将上清液转至离心管中，在3000 转速下离心15 min，取出后将上清液转至比色管中。

（4）测吸光度：吸取一定量的上清液于比色管中，加蒸馏水至标线（做两组以对比）；再做一个空白，直接加蒸馏水至标线；再做个原液的，吸取一定量的原液至比色管中，加蒸馏水至标线。分别加入1mL 酒石酸钾钠溶液和1.5 mL 纳氏试剂，静置10 min。用紫外分光光度计测其吸光度。

（5）计算去除率。

2 实验结果与讨论

采用4 因素3 水平的多因素正交实验对改性粉煤灰处理氨氮废水吸附条件的研究结果如表3 所示。

 由表3 中的极差R 可以看出，影响改性粉煤灰对氨氮吸附的主要因素为pH 值，R=8.49;改性粉煤灰的投加量和吸附时间为一般影响因素，R 值分别为6.27 和6.44；氨氮废水的浓度为次要影响因素，R 值为3.54。由表3 中的各项K 的最大值可以推出最佳吸附条件为：改性粉煤灰投加量为6 g，初始氨氮浓度为10 mg/L，pH=3, 振荡时间为30 min。

为了分析吸附条件中各个单因素对氨氮去除率的影响，根据K 值进行了趋势分析。

2.1 改性粉煤灰投加量对去除率的影响

图2 给出了粉煤灰投加量对去除率的影响。

 由图2 可看出随着改性粉煤灰投加量的增加，废水中氨氮的去除率明显增大。对于50 mL 氨氮废水而言，改性粉煤灰投加量达到2 g以后，氨氮的去除率增加就较为缓慢了。所以增加灰量，曲线上升缓慢，而且污泥量增加，不利于后续处理，并且2 g改性粉煤灰就可得到一个较高的氨氮去除率，故出于经济和后续处理的因素，也可采用2 g改性粉煤灰作为最佳投加量。

2.2 氨氮废水浓度对去除率的影响

图3 给出了氨氮废水浓度对去除率的影响。

 由图3 可以看出废水的氨氮去除率随着氨氮废水浓度的升高而降低，因为改性粉煤灰的吸附容量是有限的，即改性粉煤灰中的电荷及吸附表面积是有限的，当其吸附量达到饱和时就不再进行吸附，所以改性粉煤灰量一定时，氨氮废水浓度越高，去除率越低。

2.3 pH 值对去除率的影响

图4 给出了pH 值对去除率的影响。

 由图4 可以看出，随着pH 值的增大，废水的氨氮去除率逐渐降低。因为在碱性的条件下，存在大量的OH- 和NH4+结合，降低了溶液中NH4+的浓度，影响了改性粉煤灰对氨氮的吸附，去除率降低。在酸性条件下，氨氮废水溶液中含大量的H+，H+会和NH4+抢夺交换空间，不利于离子交换，但是改性粉煤灰是采用碱进行改性处理的，当改性粉煤灰刚加入水中溶液一开始呈酸性，随着振荡时间的推移，pH 逐渐上升呈碱性，可以与氨氮废水溶液中大量的H+进行中和反应，从而有利于离子交换吸附，因此溶液偏酸性时粉煤灰的吸附量最大。

2.4 吸附时间对去除率的影响

图5 给出了吸附时间对去除率的影响。

 由图5 可以看出随着吸附时间的增加，氨氮的去除率逐渐降低，最后趋于稳定。因此，最佳吸附时间为30 min。。

3 结论

通过正交试验分析得到，影响改性粉煤灰对氨氮吸附的主要因素为pH 值，粉煤灰的投加量和吸附时间为一般影响因素，氨氮废水的浓度为次要影响因素。当投加量为6 g（50 mL 氨氮废水），初始氨氮浓度为10 mg/L，pH=3，振荡时间为30 min 的条件下，氨氮的去除率最好，达到94.53%。