1. 引言
铅是自然界资源丰富和工业中常使用的元素之一。近年来随着工业的发展，含铅产品的应用逐渐增多，铅对环境特别是水环境的污染日益严重。由于铅属有毒有害金属，对含铅废水的处理日益受到重视。目前，用于处理含铅废水的方法主要有离子交换、化学沉淀、置换和生物吸附等 [1] 。
粉煤灰是火力发电厂排放的固体废弃物，含有较多的活性氧化铝和氧化硅等 [2] 。若将粉煤灰直接放置在露天场中，会产生扬尘，污染大气及环境；若直接排入河流、湖泊中，会造成河流淤塞，还会污染水体，对水生生物造成毒害；即使进行填埋，其中的有毒物质仍有可能渗入土壤，进入环境体系，最终对生态环境系统和人类健康造成危害 [3] 。目前，粉煤灰的利用渠道主要集中在建材、筑路、化工等 [4] ，在处理含铅废水的应用上鲜有报道。近年来，杜凤智等 [5] 利用硫酸、铁矿渣和氯化钠在300℃下对粉煤灰进行改性后，处理含铅废水，效果良好。张海军等 [6] 研究了铅在粉煤灰基沸石上的吸附特性，考察了粉煤灰基沸石作为处理含铅废水吸附材料的可行性。高玉红等 [7] 利用碱法对粉煤灰进行改性后处理中性含铅废水，取得了一定的效果。本文利用硫酸在常温下对粉煤灰进行改性，将改性后的粉煤灰用来处理含铅废水，既简化了改性方法，又提高了对铅的去除率。
2. 材料与方法
2.1. 试验材料
粉煤灰采自贵州省贵阳市火力发电厂，其成分中主要的金属氧化物含量及其他的微量重金属含量见表1 [3] 。
2.2. 试验仪器与试剂
仪器：WFX-210原子吸收分光光度计(北京瑞利)；电子天平(瑞士梅特勒-托利多，AL-204)；精密pH计(上海虹益仪器仪表有限公司，PHS-3C)；电热鼓风干燥箱(天津市泰斯特仪器有限公司，WG-43)。
试剂：硫酸，盐酸，氢氧化钠均为优级纯；所用水均为超纯水。实验所用的含铅废水用硝酸铅配置而成，铅的质量浓度为50 mg/L。
Table 1. Contents of major metal oxides and trace metals oxides in fly ash
表1. 粉煤灰中主要金属氧化物和微量金属氧化物含量
注：*表示金属氧化物的单位为mg/kg。
2.3. 改性粉煤灰的制备
据文献 [8] 报道，用8 mol/L的硫酸处理粉煤灰，可以显著增加粉煤灰的吸附能力，增大饱和吸附容量，故选用8 mol/L的硫酸作为改性剂。取一定量的粉煤灰放入烧杯中，加入硫酸溶液后浸泡24 h，用去离子水冲洗至中性，过滤后放入烘箱内，100℃恒温干燥24 h，期间取出搅拌数次，以防止干燥结块。
改性原理：粉煤灰经硫酸处理，其中的铁、铝、硅均能被很好的溶出，这些带正电荷的离子，不仅能中和悬浮胶粒的电位，并能与非离子表面活性剂形成高分子聚合物，随着反应的不断进行，聚合物的电位不断增加，最终使胶体脱稳凝聚。同时，经酸处理的粉煤灰颗粒表面会形成许多的凹槽和孔洞，从而增加吸附性能。
2.4. 试验方法
按一定的灰–水(g/ml)比，在含铅溶液中加入改性粉煤灰，调节pH、温度、吸附时间等，过滤，取滤液用原子吸收分光光度计测定Pb的浓度并计算去除率η，η的计算式如下：
式中η——去除率，%；
C0——含铅废水中铅的初始质量浓度，mg/L；
C——粉煤灰吸附后废水中铅的质量浓度，mg/L。
3. 结果与讨论
3.1. 粉煤灰粒径的选择
取6份100 ml含铅废水于250 ml的锥形瓶中，分别加入1.0 g不同粒径的改性粉煤灰，调节pH = 7.0，静置吸附2 h，过滤，取滤液测定铅的浓度并计算去除率，结果见图1。从图1可以看出：改性粉煤灰的粒径对含铅废水的吸附有一定的影响。粒径小于200目时，铅的去除率随着目数的增大而增大。当粒径大于200目时，铅的去除率有所下降。可能是由于粉煤灰的粒径太小，出现粉煤灰颗粒团聚影响去除效果。
3.2. 含铅废水中初始铅浓度对铅去除率的影响
按灰–水(g/ml)比为1:100，分别在1.0 g改性粉煤灰中加入100 ml不同浓度的含铅溶液，调节pH = 7，静置吸附2 h，过滤，取滤液测定铅浓度并计算去除率。结果表明，当改性粉煤灰的加入量一定时，随着溶液中铅浓度的增加，粉煤灰对其吸附率呈下降的趋势。当铅的初始浓度低于50 mg/L，改性粉煤灰对其吸附率在90%以上。这主要是由于粉煤灰的吸附容量所限，在固定的饱和吸附量下，随着铅浓度的增加，吸附量逐渐达到饱和，因而去除率逐渐降低。
Figure 1. Curve of removal ratio of lead with particle size of fly ash
图1. 铅去除率随粉煤灰粒径变化曲线
3.3. 吸附温度的选择
按灰–水(g/ml)比为1:100，将含铅废水100 ml移入6个锥形瓶中，调节pH = 7，加入1.0 g改性粉煤灰，并分别将6个锥形瓶置于15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃下恒温静置吸附2 h，过滤，取滤液测定铅浓度并计算去除率，结果见图2。由图2可知，随着温度的增加，铅的去除率逐渐增加，在30℃后铅的去除率增加比较缓慢。其原因可能是粉煤灰吸附过程是吸热过程，适当的增加温度，有利于粉煤灰表面活性中心的增加，从而使铅去除率增加。
3.4. 静置吸附时间的选择
按灰–水(g/ml)比为1:100，将含铅废水调节pH为7，加入改性粉煤灰，搅拌均匀后静置，在不同时间段取上层清夜测定铅的浓度，结果见图3。从图3中可知：静置时间超过2 h时，经改性粉煤灰处理后铅去除率达98%以上。
3.5. 吸附体系pH值的选择 [3]
按灰–水(g/ml)比为1:100，在相同体积的溶液中加入相同质量、相同粒径的改性粉煤灰，用盐酸和氢氧化钠调节pH值，静置2 h，过滤，取滤液测定铅浓度并计算去除率，结果见图4。从图4中可知，当体系pH为7时废水中铅的去除率最高。其原因可能是去除率的高低取决于吸附和沉淀两种因素。pH较低时，改性粉煤灰表面带正电荷，而废水中的铅也以正离子的形式存在，故改性粉煤灰对废水中铅的吸附有限；pH过高时，铅形成的沉淀又会溶解，从而使废水中的铅含量增加。
3.6. 正交试验法确定最佳条件
根据正交试验表的要求，正交试验选取粉煤灰粒径、静置吸附时间、吸附温度、体系pH值作为研究因素，每个因素确定三个水平。选用L934正交表。正交表的设计和试验结果见表2。
对表2的数据进行分析如下：
① II2 > I1 > III3 粉煤灰粒径应选在2水平 即200目。
② III3 > II2 > I1 静置时间应选在3水平 即2 h。
Figure 2. Curve of removal ratio of lead with adsorption temperature
图2. 铅去除率随吸附温度变化曲线
Figure 3. Curve of removal ratio of lead with adsorption time
图3. 铅去除率随吸附时间变化曲线
Figure 4. Curve of removal ratio of lead with system pH
图4. 铅去除率随pH变化曲线
Table 2. Orthogonal experiment design and experimental results
表2. 正交试验设计和试验结果
③ II2 > I1 > III3 实验温度应选在2水平 即30℃
④ I1 > II2 > III3 pH应选在1水平 即pH = 6
通过极差分析可知各因素主次关系依次为：粉煤灰的粒径 > 实验温度 = pH > 静置时间。其中，粉煤灰粒径为主要因素。因此，要想得到更高的除铅率，应首先考虑粒径的大小。综上，改性粉煤灰除铅的最佳条件为：粉煤灰粒径为200目，静置时间2 h，pH = 6，吸附温度为30℃。对铅的去除率最高可达98.4%，即处理后的溶液中铅质量浓度低至0.80 mg/L，达到《国家污水综合排放标准》的允许值。
3.7. 吸附等温线 [6]
对本次试验结果用Langmuir方程和Freundlich方程进行回归，发现试验数据与Langmuir方程符合性较好，即改性粉煤灰对铅的吸附符合Langmuir模型，说明改性粉煤灰对铅的吸附应是以化学吸附为主。
Langmuir吸附等温方程可表示为：
，其中qe：平衡吸附量，mg/g；ce：平衡质量浓度，
mg/L，a、b为与吸附有关的常数。对试验数据进行回归，所得方程为：y = 0.1623x + 0.261，相关系数为0.999。
4. 结论
1) 改性粉煤灰对溶液中铅的吸附符合Langmuir吸附模型，主要通过化学吸附作用去除溶液中铅。
2) 影响铅去除率的因素中主次关系为：粉煤灰的粒径 > 实验温度 = pH > 静置时间。
3) 除铅最佳条件为：粉煤灰粒径200目、吸附时间2 h、pH = 6、吸附温度为30℃。
基金项目
国家自然科学基金(21467005)。