氧化鑭對磷酸根的吸附及其機理研究

陸 巖，劉艷磊，姜 恒，宮 紅

(遼寧石油化工大學 化學化工與環(huán)境學部，遼寧 撫順 113001)

常用的除磷方法有化學沉淀法、生物法、吸附法和結晶法[1]，吸附法因其高效、操作簡便等優(yōu)點備受關注，吸附法除磷中吸附劑的選擇尤為重要。稀土應用在廢水處理中具有獨特的性質(zhì)，將稀土用于研究廢水除磷已有報道[2-3]。羅芳[4]、詹鳳平[5]等人研究了固定化活性氧化鑭對磷酸根的吸附，并提出活性氧化鑭吸附磷酸根的機理為：活性氧化鑭表面分子與水結合生成氫氧化鑭，進而與磷酸根發(fā)生反應生成LaPO4。Zhang Ling[6]等人在報道中提出，活性炭負載氧化鑭吸附磷酸根，不僅是因為羥基與磷酸根之間發(fā)生離子交換和庫倫吸引，還包括由La—O化學鍵所引起的路易斯酸堿反應。因此，有關氧化鑭吸附水溶液中磷酸根的機理還有待進一步深入研究。在研究中發(fā)現(xiàn)，在金屬氫氧化物吸附磷酸根的過程中，羥基起到重要的作用[7-8]，由于氧化鑭本身是一種金屬氧化物，并不含表面羥基，因此其吸附磷酸根的機理是一個重要的問題。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

氧化鑭(La2O3)：99.99%，江蘇卓群納米稀土有限公司，將一定量的La2O3在剛玉坩堝中800 ℃焙燒3 h，轉(zhuǎn)移至干燥器冷卻至室溫后，將La2O3收集于磨口瓶中，放入干燥器中貯存；磷酸二氫鉀、抗壞血酸、四水合鉬酸銨、氫氧化鈉：均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；半水酒石酸銻鉀：化學純，國藥集團化學試劑有限公司；濃硫酸：分析純，沈陽新興試劑廠；鹽酸：分析純，葫蘆島市渤?；瘜W試劑廠。

Spectrum GX傅里葉變換紅外光譜儀：美國Perkin-Elmer公司；722S型分光光度計：上海菁華科技儀器有限公司；D/max-RB型X射線衍射儀：日本理學；4-10型馬弗爐：上海路達實驗儀器有限公司；FA2104型電子天平：上海精科天平；JJ-1型精密增力電動攪拌器：常州國華電器有限公司；80-2B型臺式離心機：上海安亭科學儀器廠；LB802-2型超級恒溫器；遼陽市恒溫儀器廠。

1.2 實驗方法

將200 mL磷酸二氫鉀溶液倒入錐形瓶中，用NaOH(6 mg/L)和HCl[V(HCl)∶V(H2O)=1∶1]調(diào)節(jié)溶液pH值。再加入一定量的La2O3，在恒溫條件下均勻攪拌，每隔一段時間取樣，離心，吸取一定量的上清液于50 mL容量瓶中，然后加入2 mL鉬酸銨和1 mL抗壞血酸，定容，搖勻，靜止反應10 min后測其吸光度，根據(jù)標準曲線計算出磷酸根的質(zhì)量濃度。按公式(1)和(2)分別計算出吸附劑的吸附率和吸附量。

(1)

(2)

2 結果與討論

2.1 正交實驗設計與結果分析

采用5因素4水平正交實驗。磷酸二氫鉀溶液的pH值(A)、初始質(zhì)量濃度(B)、La2O3的投加量(C)、溫度(D)、吸附時間(E)。正交實驗因素水平具體見表1。

表1 正交實驗的因素與水平

按L16(45)正交實驗計劃表的各種條件進行實驗，其實驗結果見表2。

表2 正交實驗結果1)

1)k為實驗值的平均數(shù)

通過直觀分析法(即計算均值ki)可知，La2O3吸附磷酸根的最佳實驗條件為：磷酸鹽溶液的pH=2，初始質(zhì)量濃度100 mg/L，La2O3投加量0.1 g，溫度35 ℃，吸附時間90 min。

經(jīng)極差分析得知，pH值的影響最大，其次是溶液的初始質(zhì)量濃度，然后是溫度和吸附時間，與其它4個因素相比，La2O3的投加量對吸附效果的影響最小。

根據(jù)正交實驗得出的最佳實驗條件，以La2O3作為吸附劑進行吸附實驗。按照公式(1)和公式(2)計算出La2O3的吸附率和吸附量分別為88.4%和175.7 mg/g。

2.2 吸附機理的探討

黃繼民[12]等人研究了La2O3在空氣中的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)La2O3能夠吸收空氣中的水生成La(OH)3。由此可以推斷，La2O3在水溶液中會轉(zhuǎn)化成La(OH)3?；谏鲜龇治?，設計2組實驗：(1)將5.000 0 g La2O3加到200 mL pH=2(用稀鹽酸調(diào)節(jié))的純水中，攪拌1.5 h，過濾、洗滌、100 ℃條件下烘干2 h，稱得產(chǎn)物5.834 0 g，記為LO—W，經(jīng)計算得La2O3完全轉(zhuǎn)化成La(OH)3的理論值為5.835 0 g；(2)將3.000 1 g La2O3加到200 mL磷酸根濃度為3 g/L的磷酸二氫鉀溶液中(pH=2，用稀鹽酸調(diào)節(jié))，攪拌1.5 h，過濾、洗滌、100 ℃條件下烘干2 h，稱得產(chǎn)物3.7918 g，記為LO—P，經(jīng)計算得La2O3完全轉(zhuǎn)化成La(OH)3的理論值為3.497 8 g，實際吸附的磷酸根質(zhì)量為0.338 3 g(根據(jù)測定吸附后水溶液中磷酸根含量計算)。La2O3、LO—W和LO—P的IR譜圖見圖1。

σ/cm-1圖1 La2O3、LO—W和LO—P的IR譜圖

為了進一步驗證上述結論，對La2O3、LO—P和LO—W進行XRD表征分析，La2O3、LO—P和LO—W的XRD譜圖見圖2。

2θ/(°)圖2 La2O3、LO—W、LO—P的XRD譜圖

由上述分析可知，La2O3是一種化學性質(zhì)不穩(wěn)定的氧化物[12]，將La2O3加入磷酸二氫鉀溶液中，能夠與水反應生成La(OH)3，再由La(OH)3對磷酸根進行吸附。其反應式如下。

(3)

在弱酸性條件下，生成La(OH)3的—OH被質(zhì)子化[13]，使得La(OH)3表面帶有正電荷，能與磷酸根發(fā)生靜電吸引，吸附機理如下。

(4)

(La—OH2)+(H2PO4)-

(5)

(6)

3 結 論

(1) 由正交實驗確定La2O3吸附磷酸根的最佳實驗條件為：磷酸鹽溶液的pH=2，初始質(zhì)量濃度100 mg/L，La2O3投加量0.1 g，溫度35 ℃，吸附時間90 min。

[ 參 考 文 獻 ]

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[4] 羅芳,詹鳳平,江映翔,等.固定化活性氧化鑭除磷的實驗研究[J].工業(yè)水處理,2010,30(6)：11-14.

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