螯合型表面活性剂对垃圾焚烧飞灰改性的研究

2.2.3温度
温度对改性效果具有一定的影响，随着温度的升高（图4），ACS1改性飞灰的活化指数增大，而ACS2改性飞灰的活化指数变小。温度的影响与表面活性剂在水溶液中的溶解分散程度密切相关，适当的温度有利于表面活性剂在水中的溶解分散，但温度过高或过低又会降低改性效果。ACS1改性飞灰和ACS2改性飞灰分别在75℃和15℃处获得最佳的改性效果。

图3改性时间与活化指数的关系

图4温度与活化指数的关系
2.3改性飞灰的红外光谱图
对2种表面活性剂处理后的飞灰进行了红外光谱分析，可以看出改性飞灰红外光谱出现了新的振动峰（图5）。与原始飞灰相比，改性飞灰分别在2854.12cm-1和2853.21cm-1；2925.31cm-1和2922.77cm-1处出现了C-H（-CH2-）对称伸缩振动峰和C-H（-CH3-）反对称伸缩振动峰，这2类红外振动对应于表面活性剂中的长碳链基团，表明飞灰经改性后表面已包敷一定量的长碳链基团等组分，使飞灰颗粒得到活化而易于与高分子聚合物键合。

图5原始飞灰和改性飞灰的红外光谱图
2.4重金属离子的浸出
图6给出了改性飞灰中重金属离子在不同pH值下的浸出浓度，与原始飞灰及美国EPA标准相比（Pb≤5.0mg/L、Cd≤1.0mg/L），改性飞灰中Pb、Zn和Cd浸出浓度低，螯合型表面活性剂对重金属离子的稳定固化效果好。
pH值是影响飞灰中Pb和Zn重金属离子溶解的控制因素，原始飞灰的高浸出反映了上述这种趋势；同时飞灰颗粒对酸碱的缓冲能力强，使得浸取液的初始pH值和终值pH值相差较大。浸取液初始pH值为1时，其终值pH值为8.50，此时Pb和Zn有最低的浸出值，意味着Pb和Zn主要以难溶的氢氧化物形式存在；随着浸取液pH值的提高（初始pH为3时，终值pH值高达11.80），Pb和Zn的浸出呈现递增的趋势，这应与Pb和Zn氢氧化物逐渐转化为可溶性的铅酸盐和锌酸盐有关，与原始飞灰不同，在初始pH值1～11的范围内，改性飞灰中Pb和Zn的浸出浓度较低且始终保持稳定，只是在pH值13处稍有上升，这可缘于螯合型表面活性剂固化Pb和Zn作用的结果。

图6改性飞灰在不同pH浸取液下重金属的浸出特性
Cd的浸出特性与Pb和Zn不同，随着pH值的提高，Cd始终形成比较稳定的氢氧化物沉淀，在图6中反映出Cd的浸出逐渐趋于降低。改性飞灰中Cd浸出浓度低于原始飞灰，表明Cd2+同时受螯合型表面活性剂和浸取液中OH-的双重束缚作用。
3螯合型表面活性剂对飞灰的改性机制
螯合型表面活性剂改性飞灰颗粒的机理可以认为由2部分组成：①飞灰颗粒吸附螯合型表面活性剂；②表面活性剂螯合重金属离子。
首先，在飞灰的悬浮液中，飞灰颗粒吸附螯合型表面活性剂，通过嫁接12个碳原子的疏水长碳链基团，使飞灰颗粒从亲水性转为疏水性。
ACS1是基于螯合剂乙二胺四乙酸盐（EDTA）的结构而研制开发的表面活性剂。EDTA螯合重金属时，由于空间效应，4个乙酸基团只有3个在起作用，另外1个游离的乙酸基团被月桂酰基所取代，形成了ACS1。根据EDTA螯合的方式，ACS1与重金属离子Pb2+、Zn2+和Cd2+的螯合反应可能按图7的历程进行。

图7ACS1与重金属离子的反应机理
ACS2是基于螯合剂磷酸盐的结构而研制开发的表面活性剂。其分子结构是磷酸中的一个羟基被月桂醇基所取代，ACS2与重金属离子的反应可能按图8历程进行。
ACS1和ACS2都表现出较强的重金属离子的螯合能力，但实验结果表明ACS1对飞灰颗粒的活化能力明显优于ACS2，由ACS1作用的改性悬浮液液面具有较厚的泡沫层，而ACS2液面上几乎不形成泡沫。泡沫层的产生与表面活性剂的性质相关，飞灰悬浮液中存在过量的电解质，对一般的阴离子表面活性剂来说，多价正离子的存在，会使产生泡沫的稳定性下降，而ASC1正好相反。ASC1由于在二价正离子和其三价亲水基团间形成了“桥”，从而产生了更稳定的具有较高黏度的表面膜，该表面膜在固液界面（飞灰颗粒和溶液界面）上吸附，形成吸附膜包覆飞灰颗粒，使得飞灰颗粒活化，因而ACS1改性飞灰的活化效果明显优于ACS2。