人造沸石對含磷廢水的吸附實驗研究

石 巖, 郭汶俊, 郭東鑫, 周超見, 李亞雄, 卜順順

(華北水利水電大學,河南 鄭州 450045)

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人造沸石對含磷廢水的吸附實驗研究

石 巖, 郭汶俊, 郭東鑫, 周超見, 李亞雄, 卜順順

(華北水利水電大學,河南 鄭州 450045)

采用人造沸石對廢水中的磷素進行靜態(tài)吸附實驗,探究了廢水中磷濃度、吸附時間、沸石粒徑、溫度、pH值對除磷效果的影響.結果表明：在30 mg/L的磷質量濃度下沸石飽和吸附量為118 mg/kg；磷質量濃度小于30 mg/L,沸石的吸附量隨磷質量濃度的增加而增加;沸石吸附磷的最佳吸附時間為120 min、溫度為25～45 ℃、pH值為8～9；隨著沸石粒徑的減小,沸石的吸附量逐漸增大.沸石粒徑小于100 目時,沸石吸附量達到112 mg/kg,接近飽和吸附量,但從經濟、實際應用方面考慮，不建議選擇太小粒徑的沸石顆粒.

人造沸石;廢水;磷;吸附

磷是造成水體富營養(yǎng)化的主要元素之一.隨著我國經濟的快速發(fā)展,水資源利用量劇增,每年產生的含磷廢水量也越來越大.現行的廢水二級處理法不能有效地處理廢水中的磷,大量的含磷水體未經有效處理就直接排入水體,造成水體質量嚴重下降,加劇了我國水資源的短缺[1].因此,研究一種廉價的處理材料,開發(fā)一種經濟、高效的廢水除磷工藝顯得尤為重要.目前水體除磷的方法主要有化學法除磷、生物法除磷和人工濕地法除磷3種,但這3種方法都存在除磷周期長、去除成本高等問題[2-3].

沸石具有架狀構造的骨架結構,其孔隙率高、比表面積大、離子交換能力強,是良好的吸附材料.另外,沸石資源在我國儲量豐富,價格低廉,具有良好的應用前景[4-5].

本文通過靜態(tài)吸附實驗,確定了沸石吸附量隨沸石粒徑、溫度、磷濃度、pH值等的變化規(guī)律,確定了沸石吸附的最佳吸附條件,對沸石的工業(yè)應用具有重要的指導意義.

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

沸石選用天津市某公司生產的球狀顆粒,粒徑2～5 mm,淡黃色.實驗藥品采用分析純,有Na3PO4，NaOH，(1+1)H2SO4，10%抗壞血酸、鉬酸銨.實驗用水采用超純水.儀器主要有分光光度計(UV752型)、水浴恒溫振蕩器(SHA-R2002型)、離心機(80-1型)、烘箱(中興101型)、DZS-706型多參數分析儀等.

1.2 實驗用含磷廢水的配置及沸石預處理

含磷廢水為人工配制的質量濃度為30 mg/L的磷酸鹽溶液.配制方法為:用電子天平稱取Na3PO40.474 3 g置于燒杯中,在燒杯中加入3 L超純水,攪拌均勻備用.

將所選沸石用去離子水清洗2～3次后,置于烘箱中105 ℃溫度下烘干2 h備用.

1.3 沸石吸附磷實驗

用電子天平稱取1 g沸石加入到150 mL具塞三角瓶中,再加入50 mL質量濃度為30 mg/L的磷酸鹽溶液，然后，將具塞三角瓶放入振蕩箱中振蕩,設置溫度為30 ℃,振蕩速度為200 r/min；振蕩120 min后，取20 mL上層清液離心20 min,設置轉速為200 r/min；經0.45 μm的濾膜過濾后用鉬銻抗分光光度法測定溶液濃度.將具塞三角瓶中溶液取出，重復以上操作至沸石對溶液無吸附.實驗得出沸石的飽和吸附量為118 mg/kg.

2 結果與討論

2.1 吸附時間對除磷的影響

用電子天平分別稱取2 g沸石8份，分別加入到8個150 mL具塞三角瓶中,再加入50 mL質量濃度為30 mg/L的磷酸鹽溶液并放入振蕩箱中振蕩.設置振蕩箱溫度為30 ℃,振蕩速度為200 r/min,吸附時間分別為20,40,60,90,120,150,180,210 min,然后取其20 mL上清液離心20 min,設置轉速為200 r/min,經0.45 μm的濾膜過濾后用鉬銻抗分光光度法測定溶液濃度,計算出沸石吸附量.為了進一步討論磷質量濃度對吸附平衡時間的影響，改變磷酸鹽溶液質量濃度為3，12，21 mg/L，重復以上實驗.實驗結果如圖1所示.

圖1 吸附時間對磷吸附平衡的影響

由圖1可知,在吸附時間為120 min時，基本達到了吸附平衡,沸石的吸附量為58.5 mg/kg；吸附時間超過180 min后，沸石吸附量有下降的趨勢.其原因是沸石中沒有吸附磷的有效載體,使得磷酸根可以在沸石孔隙中隨意出入,而一段時間后沸石中的磷酸根又釋放到了磷溶液中.

磷質量濃度大小對吸附平衡時間并無太大影響,在吸附120 min后達到平衡,超過180 min后,吸附量開始下降.以后的實驗吸附時間定為150 min.

2.2 磷質量濃度對吸附的影響

用電子天平稱取2 g沸石6份分別加入到150 mL不同編號的具塞三角瓶中,再加入50 mL配制的不同質量濃度的磷酸鹽溶液，放入振蕩箱中振蕩；振蕩箱設置溫度30 ℃,振蕩速度200 r/min,150 min后取出20 mL上清液離心20 min；經0.45 μm的濾膜過濾后用鉬銻抗分光光度法測定溶液濃度,進而計算出沸石吸附量.實驗結果如圖2所示.

由圖2可知，隨著磷質量濃度的增大,沸石的吸附量呈線性增大,原因是沸石無法固定磷酸根離子,沸石與溶液之間構成了吸附動態(tài)平衡,初始質量濃度大的溶液沸石吸附量也大.

圖2 磷質量濃度對磷吸附的影響

2.3 沸石粒徑對磷吸附的影響

將實驗所用沸石手工粉碎后得到5,10,20,40,60,80,100目粉末各2 g分別放入到7個150 mL具塞三角瓶中,再分別加入50 mL配制的質量濃度為30 mg/L的磷酸鹽溶液，放入振蕩箱中振蕩；設置溫度為30 ℃,振蕩速度為200 r/min,振蕩150 min后取20 mL上清液離心20 min；經0.45 μm的濾膜過濾后用鉬銻抗分光光度法測定溶液濃度,計算出沸石吸附量.實驗結果如圖3所示.

圖3 沸石粒徑對磷吸附的影響

由圖3可知,隨著沸石粒徑的減小,沸石的吸附量逐漸增大.沸石的粒徑越小,沸石的比表面積越大,沸石的孔隙越多.當粒徑為100目時,沸石的吸附量達到了112 mg/kg,基本達到了沸石的飽和吸附量.但是隨著沸石粒徑的減小,會增加出水損失,所以從經濟方面考慮并不是粒徑越小越好.

2.4 pH值對磷吸附的影響

用電子天平分別稱取2 g沸石8份，分別加入到8個150 mL具塞三角瓶中,再加入50 mL質量濃度為30 mg/L的磷酸鹽溶液，用濃度1 mol/L的鹽酸和1 mol/L的氫氧化鈉溶液調節(jié)溶液pH值分別為5,6,7,8,9,10,11,12，放入振蕩箱中振蕩；設置溫度為30 ℃,振蕩速度為200 r/min,振蕩150 min后取20 mL上清液離心20 min；經0.45 μm的濾膜過濾后用鉬銻抗分光光度法測定溶液濃度,計算出沸石吸附量.實驗結果如圖4所示.

圖4 溶液酸堿性對磷吸附的影響

2.5 溫度對磷吸附的影響

用電子天平分別稱取2 g沸石5份，分別加入到150 mL不同編號的具塞三角瓶中,再加入50 mL配制的質量濃度為30 mg/L磷酸鹽溶液,分別在25,30,35,40,45 ℃溫度下振蕩；150 min后取出20 mL上清液離心20 min；振蕩速度為200 r/min,離心速度為200 r/min；用0.45 μm的濾膜過濾后測定沸石吸附量.實驗結果如圖5所示.

圖5 溫度對磷吸附的影響

由圖5可知,在25～45 ℃內溫度對磷的吸附并無太大影響,在35 ℃時沸石對磷的平衡吸附量為52.83 mg/L.

3 結 語

實驗表明，沸石吸附磷在120 min時達到吸附平衡,吸附時間大于180 min時吸附量有下降趨勢.沸石粒徑、磷質量濃度對沸石的吸附量有較大影響,當沸石粒徑小于100目時,沸石吸附量達到了112 mg/kg,但是沸石粒徑過小會增加出水損失,所以沸石粒徑不能太小.溫度、pH值對沸石吸附量影響較小.

[1]俞棟,謝有奎,方振東,等.污水除磷技術的現狀與發(fā)展[J].重慶工業(yè)高等?？茖W校學報,2004,19(1):9-12.

[2]邱維,張智.城市污水化學除磷的探討[J].重慶環(huán)境科學,2002,24(2):81-84.

[3]鄧聰,鄧春玲,楊育喜,等.污水除磷技術[J].云南環(huán)境科學,2003,22(1):52-55.

[4]趙增迎,黃成華.沸石吸附廢水中磷污染物的研究[J].上海化工,2005,30(5):5-7.

[5]趙桂瑜,周琪.沸石吸附去除污水中磷的研究[J].水處理技術,2007,33(2):34-37.

(責任編輯: 蔡洪濤)

Experimental Research on Adsorption of Phosphorus from Wastewater by Synthetic Zeolite

SHI Yan, GUO Wenjun, GUO Dongxin, ZHOU Chaojian,LI Yaxiong, BU Shunshun

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

This paper is focused on the adsorption of phosphorus from wastewater by synthetic zeolite. It is found that the main factors affecting the phosphorus removal efficiency by synthetic zeolite are concentration of phosphorus from wastewater, adsorption time, the particle sizes of synthetic zeolite, adsorption temperature and pH value. The results show that the adsorption capacity of synthetic zeolite is 118 mg/kg when the concentration of phosphorus from wastewater is 30 mg/L, while the adsorption of synthetic zeolite increases with the increase of phosphorus concentration when the concentration of phosphorus from wastewater is less than 30 mg/L, the best adsorption time for phosphorus by synthetic zeolite is 120 min at the temperature of 25～45 ℃ and the pH value of 8～9, the adsorption capacity of synthetic zeolite increases gradually when the particle sizes of synthetic zeolite decrease, the adsorption of synthetic zeolite is up to 112 mg/kg and close to the saturated adsorption when the particle sizes of synthetic zeolite are smaller than 100 meshes, so it is not reasonable to choose too small particle sizes of synthetic zeolite from the aspects of economy and practical applications.

synthetic zeolite; wastewater; phosphorus; adsorption

2014-12-22

華北水利水電大學2014年度大學生創(chuàng)新性實驗項目(201420).

石 巖(1980—),女,河南鄧州人,講師,博士研究生,主要從事水環(huán)境方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.019

X522

A

1002-5634(2015)01-0090-03