利用NaCl改性頁(yè)巖陶粒的污水脫氮研究

楊文卿 蔡智興 卓 倩 朱詩(shī)琦 許麗洪 戴玉梅

（1福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院福建泉州362332 2福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)研究所福建泉州362332）

利用NaCl改性頁(yè)巖陶粒的污水脫氮研究

楊文卿1，2*蔡智興1，2卓 倩1，2朱詩(shī)琦1，2許麗洪1，2戴玉梅1，2

（1福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院福建泉州362332 2福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)研究所福建泉州362332）

環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為全球最為關(guān)注的問(wèn)題，而其中最為突出的水污染問(wèn)題。因此，廢水的處理顯的尤為重要。文章以活性炭做對(duì)比，探討利用氯化鈉作為改性試劑處理頁(yè)巖陶粒，進(jìn)行生活污水的脫氮研究。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，頁(yè)巖陶粒最佳改性氯化鈉濃度是9%，最佳固液比是1:10，最佳改性溫度和時(shí)間分別為70℃和4小時(shí)。

頁(yè)巖陶粒；氨氮；去除率；氯化鈉

1 前言

隨著國(guó)家對(duì)工業(yè)和農(nóng)業(yè)的逐漸重視和大量氨氮廢水的排放，使得水資源的短缺也在日益加劇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)工農(nóng)業(yè)廢水排出量就占了全部廢水總量的65%以上，且很多工廠(chǎng)都未對(duì)含氮污水進(jìn)行處理，便排入水環(huán)境中。面對(duì)當(dāng)前嚴(yán)峻的情勢(shì)，將廢水轉(zhuǎn)化為可飲用的淡水資源是全世界科研人員必須解決的一項(xiàng)研究[1-2]。中國(guó)對(duì)污水的治理大部分采取活性炭吸附，盡管多孔型活性炭吸附效果很好，但活性炭成本較高，使用時(shí)間不長(zhǎng)。頁(yè)巖陶粒又稱(chēng)膨脹頁(yè)巖，它的比表面積很大、孔穴多、適合微生物繁殖、成本很低等優(yōu)點(diǎn)，使其在污水的深度處理中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。頁(yè)巖陶粒的構(gòu)造開(kāi)放性大，它的空隙中占據(jù)著礦物質(zhì)離子和H2O分子，所以擁有很好的離子交換特性，這給它成為吸附材料奠定了基礎(chǔ)。頁(yè)巖陶粒具有密度小、質(zhì)量輕、耐性好、耐腐蝕等特點(diǎn)．在很多地方可以取代活性炭成為新型的吸附劑。

目前國(guó)內(nèi)有很多人進(jìn)行如何除去水中氨氮的研究，有利用活性炭、頁(yè)巖陶粒等多孔型材料為主體進(jìn)行脫氮研究。利用活性炭進(jìn)行脫氮的效果很好，但是由于價(jià)格、壽命等原因，注定不能成為首要選擇。

于是，國(guó)內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了以頁(yè)巖陶粒為基質(zhì)的研究，且曝氣生物濾池的超高脫氮率給許多科研人員信心，也預(yù)示著頁(yè)巖陶粒的前景是可期的。

前期研究表明，活性炭對(duì)于水的處理效果很好，但是活性炭成本高，不適合大范圍使用。由于頁(yè)巖陶粒具有良好的再生性、低廉的成本等特點(diǎn)，因此，選定頁(yè)巖陶粒作為實(shí)驗(yàn)的目標(biāo),活性炭作為對(duì)比材料。利用NaCl對(duì)活性炭和陶粒改性處理，使之成為鈉型材料[5-6]，對(duì)氨氮具有較高的吸附交換量，并且對(duì)它的去除趨勢(shì)進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

活性炭：天津福晨化學(xué)試劑廠(chǎng)

頁(yè)巖陶粒：湖北青碧環(huán)保有限公司

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 氨氮工作曲線(xiàn)的繪制

利用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量氨氮。取8個(gè)50mL具塞比色管中，分別加入0、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、7.0、10.0mL氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用液，然后稀釋至刻度，搖勻。再加入1mLC4O6H4KNa，震蕩。加入1.0mL納氏試劑搖勻。靜置10m in后，進(jìn)行比色。測(cè)吸光度，描繪工作標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。為便于分析，將工作曲線(xiàn)置于此處。如圖1所示：

2.2.2 預(yù)處理

為了保證實(shí)驗(yàn)所用陶粒有代表性，挑選大小適中的頁(yè)巖陶粒和活性炭，用清水進(jìn)行反復(fù)洗，至出水變清后，在4%～6%工業(yè)鹽酸中活化6h后，排出活化液，在蒸餾水中清洗，直到中性。烘干備用。

2.2.3 測(cè)試項(xiàng)目

預(yù)處理之后，以活性炭做為對(duì)比材料，研究頁(yè)巖陶粒的改性的最佳濃度、最佳固液比、最佳改性時(shí)間、最佳改性溫度。

圖1 氨氮工作曲線(xiàn)

3 結(jié)果與討論

3.1 最佳氯化鈉改性的濃度

圖2為最佳NaCl濃度曲線(xiàn)。由圖2表明：改性頁(yè)巖陶粒對(duì)氨氮的去除效果明顯改善，且在一定范圍內(nèi)隨著氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高[7]。當(dāng)氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%-9%時(shí)，材料的去除效果呈上漲趨勢(shì)；當(dāng)NaCl濃度繼續(xù)提高，氨氮的吸附率不再提升，趨于平緩。

氯化鈉濃度從0上升3%，Na+置換材料表面的Ca、Mg等半徑較大的陽(yáng)離子增多，使得材料表面變粗糙，吸附孔徑變小，但仍比NH+的半徑大，比表面積變大，交換的體積容量增加，從而顯著提高材料的吸附性能[5-7]。頁(yè)巖陶粒的氨氮去除率上升趨勢(shì)比活性炭快，這是由于濃度低的時(shí)候，Na+只在材料表面進(jìn)行置換，而活性炭是微孔吸附，一旦堵住了微孔，就影響到了氨氮的吸附。當(dāng)氯化鈉溶液的濃度繼續(xù)增加時(shí)，由于Na+要進(jìn)入材料內(nèi)部置換材料內(nèi)部的大半徑的陽(yáng)離子，交換速度會(huì)下降，改性比較緩慢，因此當(dāng)氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～9%時(shí)，氨氮吸附量增加速度減緩?；钚蕴康陌钡コ事缘陀陧?yè)巖陶粒，因?yàn)轫?yè)巖陶粒不止存在物理吸附，還有化學(xué)吸附。當(dāng)氯化鈉濃度超過(guò)9%以后，由于Na+交換的離子量一定，達(dá)到飽和，濃度的增加并不能提高氨氮去除率，所以去除率達(dá)到最高值后趨于平緩，活性炭的去除率小于頁(yè)巖陶粒。因此，當(dāng)氯化鈉濃度為9%時(shí)，頁(yè)巖陶粒和活性碳的氨氮去除率最大，分別為89.97%和85.82%。

圖2 最佳NaCl濃度曲線(xiàn)

圖3 最佳固液比曲線(xiàn)

3.2 最佳固液比（質(zhì)量比）

圖3為最佳固液比曲線(xiàn)。由圖2表明：材料投放量和去除效果有關(guān)系[9-10]。固液比從1∶40增長(zhǎng)到1∶13，氨氮吸附率慢慢減小。當(dāng)固液比加至1∶10，氨氮的吸附效果略微變好。當(dāng)固液比加至1∶8，氨氮吸附效果顯著下降。

隨著頁(yè)巖陶粒和活性炭投放量的增加，由于Na+置換頁(yè)巖陶?？籽ㄖ械腃a2+、Mg2+，使頁(yè)巖陶粒去除氨氮效果變好，但這也使得Na+成為一個(gè)限制因素，投放量越多，材料中得到Na+變少，影響改性成效。當(dāng)投放量達(dá)到1∶13～1∶10時(shí)，下降趨勢(shì)變得平緩，這是由于Na+置換材料中的大半徑的陽(yáng)離子數(shù)差不多，對(duì)材料的改性效果差不多。當(dāng)固液比增加到1∶8時(shí)，留在材料中的Na+大大減少，影響到材料對(duì)氨氮的吸附，所以氨氮吸附率顯著下降。從整體趨勢(shì)上看，活性炭的氨氮去除率都是略高于頁(yè)巖陶粒，這是因?yàn)橄嗤|(zhì)量的情況下，活性炭的比表面積大于頁(yè)巖陶粒，氨氮的吸附量也多于頁(yè)巖陶粒。因此，利用9%氯化鈉溶液對(duì)頁(yè)巖陶粒和活性炭，當(dāng)固液比為1∶40時(shí)，兩者氨氮去除效果最好，分別達(dá)到42.38%和46.66%。但是從經(jīng)濟(jì)環(huán)保方面考慮，加大單次材料改性的量，選取20.00g的材料進(jìn)行改性是最實(shí)惠的，因此最佳固液比為1∶10。

圖4 最佳改性時(shí)間曲線(xiàn)

3.3 最佳改性時(shí)間

圖4為最佳改性時(shí)間曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果由圖4表明：時(shí)間變長(zhǎng)，材料吸附效果也隨之變好[11-12]。當(dāng)延長(zhǎng)到4.0h，氨氮吸附量顯著升高，去除效果最好；再加長(zhǎng)時(shí)間，氨氮的吸附效果不再變好。

改性時(shí)間從2h增加到4h，Na+置換頁(yè)巖陶粒和活性碳孔穴中的Ca2+、Mg2+越多，改性成效越好，材料的去除效果顯著變好。當(dāng)改性時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)后，可與Na+交換的離子量一定，達(dá)到飽和，改性時(shí)間的增加并不能提高氨氮去除率，所以氨氮去除率達(dá)到最大值后趨于平緩。從整體趨勢(shì)上看，活性炭的氨氮去除率都是略高于頁(yè)巖陶粒，這是因?yàn)橄嗤|(zhì)量的情況下，活性炭的比表面積大于頁(yè)巖陶粒，氨氮的吸附量也多于頁(yè)巖陶粒。因此，利用9%氯化鈉溶液改性20g頁(yè)巖陶粒和活性炭，當(dāng)時(shí)間為4h時(shí)，頁(yè)巖陶粒和活性炭的氨氮去除率最高，分別為68.25%和73.25%。

3.4 最佳改性溫度

圖5為最佳改性溫度曲線(xiàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：溫度是一個(gè)重要因素。升高溫度，材料的去除效果變好；加至70℃，材料的吸附效果最好；繼續(xù)拔高溫度，材料的吸附效果不再變好，慢慢趨向平緩。

隨著溫度的上升，離子的熱運(yùn)動(dòng)速度越快，Na+與Ca2+、Mg2+相遇的次數(shù)也隨之增加，加快Na+與Ca2+、Mg2+交換，使材料的氨氮去除效果變好。但是溫度過(guò)高，Na+的吸附強(qiáng)度會(huì)降低，吸附在孔穴中的Na+量變少，使得氨氮去除率趨于平緩，甚至略微下降。溫度從30℃增加80℃，活性炭對(duì)氨氮吸附率的上升趨勢(shì)比頁(yè)巖陶?？欤瑴囟仍礁?，離子的移動(dòng)速度越快，活性炭吸附運(yùn)動(dòng)的分子比吸附不運(yùn)動(dòng)的分子更快，改性效果更好。因此，利用9%氯化鈉溶液改性20g頁(yè)巖陶粒和活性炭，時(shí)間為4.0h，當(dāng)改性溫度為70℃時(shí)，頁(yè)巖陶粒氨氮吸附效果最好，達(dá)到75.73%，當(dāng)溫度為80℃（在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)）時(shí)，活性炭的去除率最好，達(dá)到79.13%。

圖5 最佳改性溫度曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

利用氯化鈉改性頁(yè)巖陶粒提高了活性，與未改性的頁(yè)巖陶粒相比，改性頁(yè)巖陶粒的氨氮去除率顯著提升。最佳氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)，頁(yè)巖陶粒和活性炭的氨氮去除率可達(dá)89.97%和85.32%。最佳固液比為1∶10，頁(yè)巖陶粒和活性炭的氨氮的吸附效果分別達(dá)到39.88%和43.89%。最佳改性時(shí)間為4.0h時(shí)，頁(yè)巖陶粒和活性炭的氨氮吸附率分別為68.75%和73.25%。最佳改性溫度為70℃，頁(yè)巖陶粒的氨氮吸附率可達(dá)78.36%。因此可得結(jié)論，頁(yè)巖陶粒在用氯化鈉改性去除氨氮方面具有更高的性?xún)r(jià)比。

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省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心項(xiàng)目（SYSF12001），省級(jí)大學(xué)生校外實(shí)踐教育基地項(xiàng)目（XWSJ12002）,福建省大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（NO.201512992008）。

楊文卿（1983—）男，講師，從事固廢廢物高值化方面的研究。