片沸石吸附南湖水COD的試驗(yàn)研究

鄭汝偉等

摘要

[目的]研究片沸石對(duì)武漢南湖水中COD的吸附。[方法]以片沸石為吸附劑，研究沸石的吸附時(shí)間、投入量、粒徑、環(huán)境pH對(duì)吸附效果的作用。[結(jié)果]片沸石對(duì)南湖水中COD有較好的吸附效果，在吸附時(shí)間為40 min、投加量為20 g/L、沸石粒度為-74 μm、pH=7時(shí)，吸附率為63%左右。吸附過程符合準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力方程和Freundlich吸附等溫方程。[結(jié)論]該研究為天然沸石在污水處理中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞 片沸石；COD；吸附；湖泊水；試驗(yàn)

中圖分類號(hào)TD985文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）28-09879-02

Experimental Study of the Adsorption of COD by Heulandite in South Lake Water

ZHENG Ruwei，GUAN Junfang，ZHANG Jinhu et al

（School of Resource and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan，Hubei，430070）

Abstract[Objective] The research aimed to study the adsorption of COD by using heulandite in Wuhan South Lake. [Method] Taking heulandite as adsorbent，the effects of the adsorption time of adsorption，the dosage of adsorbent，article size and the pH of solution were studied..[Result]The heulandite had a good adsorption effect on COD in South Lake water.When the time of 40 minutes， the dosage of 20 g/L， the grain size less than 74 μm， the pH of 7， its adsorption rate was about 63%.The adsorption process conformed to pseudosecond order equation， the adsorption isotherms followed the Langmuir isothermal equation more exactly.[Conclusion] The study provides the basis for the application of natural zeolite in wastewater.

Key words Heulandite；COD；Adsorption；Lake water； Experiment

隨著我國(guó)城市人口不斷增加，城市內(nèi)湖泊的水質(zhì)環(huán)境愈加惡化?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)研究吸附法處理污水的有很多，但研究方向側(cè)重于吸附水中的氨氮[1]。天然沸石具有離子交換性、吸附性、催化性、耐酸性、耐熱性、耐輻射性等優(yōu)異性能[1]。筆者以片沸石為吸附劑，研究了遼寧葫蘆島片沸石對(duì)湖水COD吸附，以期為片沸石在湖水凈化中的應(yīng)用提供信息。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料和試劑

片沸石，采自遼寧葫蘆島，樣品經(jīng)破碎、篩分備用。湖泊水，取自武漢市南湖。試劑，重鉻酸鉀消解液、重鉻酸鉀標(biāo)定液、硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液，菲啰啉、硫酸亞鐵、硫酸銀。

1.2試驗(yàn)儀器

MS3型微波消解COD測(cè)定儀、852型恒溫磁力攪拌器、LXJIIB低速大容量多管離心機(jī)、試驗(yàn)室pH計(jì)（Starter3C）。

1.3 試驗(yàn)方法

取1 g粒度為-74 μm的片沸石，在50 ml南湖水樣、pH=7、室溫條件，磁力攪拌器以200 r/min速率進(jìn)行攪拌，在吸附時(shí)間分別為10、20、30、40、50、60 min下，研究吸附時(shí)間對(duì)COD去除率的影響。確定最佳吸附時(shí)間后，分別改變沸石投加量（0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 g）、粒度（-350、-149、-74、-58、-44 μm）、水樣pH（1、4、7、11、13），進(jìn)行單因素試驗(yàn)研究其對(duì)COD去除率的影響。采用微波消解法測(cè)定水樣中的COD含量，相關(guān)公式如下：

2結(jié)果與分析

2.1吸附時(shí)間對(duì)COD去除率的影響

在40 min以前，隨著攪拌時(shí)間的增加，吸附率逐漸升高；40 min后，吸附曲線趨于平穩(wěn)。吸附初期，沸石顆粒內(nèi)的微孔較多，吸附驅(qū)動(dòng)力大[2]，吸附水中有機(jī)物的速度較快；在吸附一定時(shí)間后，粘附到沸石顆粒上的有機(jī)分子占據(jù)大部分的微孔隙，吸附達(dá)到平衡。經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，40 min為最佳吸附時(shí)間，吸附后效果可達(dá)60.5%。

2.2投加量對(duì)COD去除率的影響

隨著沸石的增加，COD含量顯著降低。因?yàn)榉惺w粒的總表面積增加，吸附微孔數(shù)量增加使水樣中的有機(jī)物迅速減少[3]。之后逐漸達(dá)到吸附平衡，單位沸石的吸附率在大于1 g時(shí)呈下降趨勢(shì)。試驗(yàn)證明在投加量為20 g/L的時(shí)候吸附效果最好。

2.3粒度對(duì)COD去除率的影響

粒度在-74 μm左右效果最好，吸附率可達(dá)61%。粒度過小反而吸附效果不好，因?yàn)楹此械奶烊挥袡C(jī)物通常包含大量的腐殖質(zhì)，而腐殖質(zhì)的分子量很大[4]。當(dāng)沸石粒度減小到一定程度之后，這些腐殖質(zhì)以及人工合成的有機(jī)大分子不能被吸附到沸石顆粒上或極容易脫附，于是便懸浮在水中被重鉻酸鉀還原，吸附效果降低，故選取-74 μm為宜。

2.4pH對(duì)COD去除率的影響

在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿的環(huán)境下，沸石的吸附效果均不理想。水中的人工合成的有機(jī)物部分可被水中的微生物降解[4]。pH過高或過低，會(huì)導(dǎo)致微生物的活性降低，使水中的COD濃度變高。在pH為7～8時(shí)，吸附效果最好，吸附效率約為62%。

2.5吸附動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)公式（2）得吸附容量Q=3.125 mg/g。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別以準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合，即

式中，k1為擬一級(jí)速率常數(shù)，min-1；k2為擬二級(jí)速率常數(shù)，g/（mg·min）；t為吸附時(shí)間，min；qt為t時(shí)刻沸石對(duì)COD的吸附量，mg/g；qe為平衡時(shí)沸石對(duì)COD的吸附量，mg/g。

準(zhǔn)一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程中各參數(shù)的值分別為qe=3.401 mg/g、k1=-0.031 min-1，準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程中各參數(shù)的值分別為qe=4.255、k2=0.009 69 min-1，且準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程擬合的線性相關(guān)系數(shù)R2分別為0.919和0.951，可見準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能較好地描述該吸附過程。片沸石對(duì)COD的吸附分為快速吸附和緩慢吸附以及吸附平衡3個(gè)階段[5]。第1階段為吸附初期，水樣中COD主要被吸附在天然沸石的外表面，吸附速度較快；第2階段為粒內(nèi)擴(kuò)散過程，有機(jī)分子沿沸石微孔向內(nèi)部擴(kuò)散，擴(kuò)散阻力逐漸增加，導(dǎo)致吸附速率變慢，吸附作用主要表現(xiàn)在天然沸石內(nèi)表面；第3階段有機(jī)分子脫附與被吸附的效果相抵消，助推力越來越小，吸附過程逐漸達(dá)到平衡。

2.6吸附等溫線

對(duì)吸附過程分別用Langmuir方程和Freundlich方程進(jìn)行擬合，其方程分別為

式中，Qm為吸附劑最大吸附量，mg/g；KL為與吸附能量相關(guān)的Langmuir常數(shù)，L/mg；qe為吸附量，mg/g；Ce為平衡濃度，mg/L。Kf為與吸附劑吸附能力相關(guān)的Freundlich常數(shù)；n為與吸附強(qiáng)度相關(guān)的Freundlich常數(shù)。擬合模型參數(shù)分別為Qm=5.988 mg/g、KL=0.021 L/mg、Kf=0.221 L/mg、n=1.47。 相比于Langmuir方程，F(xiàn)reundlich方程能更好地描述天然沸石吸附COD的特征，相關(guān)系數(shù)為0.995。據(jù)Freundlich理論[5]，n>1時(shí)，表明吸附過程是優(yōu)惠吸附[6]，此研究中n為1.47，說明片沸石對(duì)于COD有較好的吸附性能；Kf表示吸附能力的大小，試驗(yàn)中Kf 較大，說明COD易于被沸石吸附。

3結(jié)論

（1）片沸石對(duì)南湖水中COD有較好的吸附效果，在298 K下，沸石投加量為20 g/L，粒徑-74 μm，pH=7，吸附時(shí)間40 min，水樣中COD的去除率達(dá)63.83%。

（2）湖水中COD被片沸石吸附過程可用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程來描述，沸石粉末的內(nèi)部擴(kuò)散是COD吸附的主要限制因素。

（3）Freundlich方程比Langmuir方程更好地描述COD在片沸石上的吸附行為，主要為多分子層吸附， n=1.47，說明片沸石對(duì)COD的吸附性能很好，是一種比較高效的吸附劑。

參考文獻(xiàn)

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