改性松木鋸末吸附富營(yíng)養(yǎng)化水體中磷的研究*

秦哲　梁淑軒　趙小沛

(河北大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院　河北保定 071002)

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改性松木鋸末吸附富營(yíng)養(yǎng)化水體中磷的研究*

秦哲梁淑軒趙小沛

(河北大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院河北保定 071002)

摘要采用改性松木鋸末作為吸附劑，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的模擬水樣中的磷進(jìn)行吸附去除研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改性松木鋸末對(duì)磷的吸附作用主要發(fā)生在15 min內(nèi) ，吸附時(shí)間超過15 min吸附量趨于平衡狀態(tài)；pH值由4.0上升到6.0，改性松木鋸末對(duì)磷的去除率增長(zhǎng)較快，由6.0上升到9.0，去除率基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；磷濃度在0.5～5 mg/L的低濃度范圍內(nèi)，改性松木鋸末對(duì)磷的去除率均可達(dá)到95%以上；改性松木鋸末的最佳投加量為0.4 g/L。用Freundlich吸附等溫線方程能準(zhǔn)確地描述改性松木鋸末對(duì)磷吸附的特征，吸附等溫線方程為q=5.11 C1/0.523。

關(guān)鍵詞改性松木鋸末富營(yíng)養(yǎng)化磷吸附

0引言

現(xiàn)今湖泊水庫的富營(yíng)養(yǎng)化是亟待解決的水環(huán)境問題，目前水體富營(yíng)養(yǎng)化控制采用更多的是生態(tài)修復(fù)的方法，但生態(tài)修復(fù)通常起效周期較長(zhǎng)。同時(shí)由于系統(tǒng)內(nèi)磷化合物的不可揮發(fā)性，對(duì)各種植物、生物的人工捕集和處置就顯得十分重要。收割不及時(shí)，植物會(huì)腐爛；收割量過大，會(huì)影響收割后植物的生長(zhǎng)和恢復(fù)，從而影響除磷效果。

近年來，一些學(xué)者嘗試使用吸附的方法進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化水體的水質(zhì)改善，采用一些固體廢棄物(如粉煤灰、麥糠等)作為吸附劑進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)磷有很好的吸附效果。本實(shí)驗(yàn)對(duì)松木鋸末改性作為吸附劑，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的磷進(jìn)行削減研究，符合以廢治廢理念，其來源廣泛、成本低，另外吸附劑使用后可作為含磷肥料的原料進(jìn)行利用，不存在二次污染問題。通過本研究以期為富營(yíng)養(yǎng)化水體水質(zhì)改善提供一種新的思路。

1材料與方法

1.1模擬水樣

本研究的處理對(duì)象為富營(yíng)養(yǎng)化水體的模擬水樣，稱取一定量的磷酸二氫鈉溶于水中，搖勻待用。

1.2松木鋸末的改性方法

鋸末過120目篩，先用蒸餾水清洗干凈，在60 ℃下烘干12 h，密封保存。

2 g預(yù)處理后的鋸末于1 000 mL三口燒瓶中，加入100 mL環(huán)氧氯丙烷、120 mL的N，N-二甲基甲酰胺在100 ℃下攪拌加熱1 h；加入20 mL吡啶作催化劑，繼續(xù)在100 ℃下攪拌加熱1 h；加入20 mL二甲胺水溶液，在100 ℃下攪拌加熱3 h。

濾掉改性廢液，用NaOH溶液(0.1 mol/L)在50 ℃下洗至上清液為無色透明，再用HCl溶液(0.1 mol/L)調(diào)節(jié)pH值至中性，隨后用乙醇(50%)和蒸餾水清洗，在60 ℃下干燥12 h。

1.3水中總磷的測(cè)定方法

水質(zhì)總磷的測(cè)定采用中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)。

2結(jié)果與討論

2.1吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

取6個(gè)250 mL的錐形瓶，在5個(gè)錐形瓶中分別加入0.02 g改性松木鋸末，含磷濃度為0.2 mg/L的水樣50 mL，分別用H2SO4和NaOH調(diào)節(jié)pH值使溶液pH為6，全部置于恒溫振蕩器上，在25 ℃左右以180 r/min速度進(jìn)行振蕩，分別震蕩5、10、15、20、25、30 min，過濾后測(cè)定濾液中的磷含量，并計(jì)算去除率和吸附容量。

圖1吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

由圖1可知，隨著吸附時(shí)間的增長(zhǎng)，改性松木鋸末對(duì)磷的去除率也隨之增加，在吸附時(shí)間達(dá)到15 min后，改性松木鋸末對(duì)磷的吸附逐漸趨于平穩(wěn)。改性松木鋸末對(duì)磷的吸附容量隨吸附時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，15 min后吸附容量基本維持不變，達(dá)到吸附平衡狀態(tài)?？梢?，改性松木鋸末對(duì)磷的吸附作用主要發(fā)生在15 min內(nèi) ，吸附時(shí)間超過15 min，改性松木鋸末對(duì)磷的吸附達(dá)到飽和，吸附量達(dá)到平衡狀態(tài)，因此確定最佳吸附時(shí)間為15 min。

2.2初始pH對(duì)吸附效果的影響

取6個(gè)250 mL的錐形瓶，在其中分別加入50 mL 0.2 mg/L的含磷水樣，用H2SO4和NaOH溶液將各水樣的pH值分別調(diào)節(jié)至4，5，6，7，8，9，再加入0.02 g的改性松木鋸末，全部置于恒溫振蕩器上，在25 ℃左右以180 r/min速度振蕩15 min，過濾后測(cè)定濾液中的磷含量，并計(jì)算去除率和吸附容量。

由圖2可知，pH值由4.0上升到6.0，改性松木鋸末對(duì)磷的去除率由73.94%快速增加到93.94%，在pH值由6.0上升到9.0，去除率則變化緩慢，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2初始pH對(duì)吸附效果的影響

2.3初始濃度對(duì)改性松木鋸末吸附磷的影響

將0.02 g改性松木鋸末依次放入50 mL濃度分別為0.05、0.1、0.2、0.3、0.5 mg/L的含磷水樣中，利用H2SO4和NaOH調(diào)節(jié)pH值使溶液pH為6，全部置于恒溫振蕩器上，在25 ℃左右以180 r/min速度振蕩15 min，過濾后測(cè)定濾液中的磷含量，并計(jì)算去除率和吸附容量。

圖3初始濃度對(duì)吸附效果的影響

由圖3可知，在溶液中的磷含量為0.05～0.5 mg/L的低濃度范圍時(shí)，改性松木鋸末對(duì)磷的去除率都在95%以上，去除效果較好。在初始濃度為0.2 mg/L時(shí)，去除率最大為98.78%。初始溶液的濃度越高，溶液中的磷的含量就越大，由此產(chǎn)生較大的濃度差，因而吸附的驅(qū)動(dòng)力相應(yīng)增大，使溶液中的磷酸根離子加速向改性松木鋸末移動(dòng)，被改性松木鋸末吸附在表面從而達(dá)到去除磷的效果。

2.4吸附劑的最佳投加量

在6個(gè)250 mL錐形瓶中分別加入50 mL濃度為0.2 mg/L含磷水樣，在其中分別加入改性松木鋸末0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 g，分別用H2SO4和NaOH調(diào)節(jié)pH值為6。全部置于恒溫振蕩器上，在25 ℃左右以180 r/min速度振蕩15 min，過濾后測(cè)定濾液中的磷含量，并計(jì)算去除率和吸附容量。

圖4投加量對(duì)改性松木鋸末除磷效果的影響

由圖4可知，改性松木鋸末對(duì)磷的去除率隨著投加量的增加而增大，當(dāng)投加量為0.02 g時(shí)達(dá)到最大，而后保持穩(wěn)定；改性松木鋸末對(duì)磷的吸附容量隨著投加量的增加而逐漸降低。這是因?yàn)槿芤褐械牧姿岣亢愣?，改性松木鋸末投加量增加到一定值后，造成改性松木鋸末過量而不能全部利用，故使得改性松木鋸末的吸附容量下降。實(shí)驗(yàn)表明，吸附劑的最佳投加量為0.4 g/L。

2.5吸附等溫線分析

稱取0.02 g改性松木鋸末，置于250 mL的錐形瓶中，分別加入50 mL濃度分別約為0.2、0.5、1、3、5 mg/L含磷水樣，用H2SO4和NaOH調(diào)節(jié)pH值為6，全部置于恒溫振蕩器上，在25 ℃左右以180 r/min振蕩15 min，過濾后測(cè)定濾液中的磷含量，計(jì)算出改性松木鋸末對(duì)磷的吸附量及吸附平衡時(shí)濃度，繪制吸附等溫線。

Freundlich和Langmuir兩種吸附等溫線常被用來描述固體吸附劑對(duì)水中磷的吸附等溫現(xiàn)象。Freundlich和Langmuir的方程表達(dá)式分別見式(1)和式(2)：

q=KC1/n

(1)

q=abC/(1+aC)

(2)

式中，q為吸附平衡時(shí)的吸附量，mg/g；C為吸附平衡時(shí)水中剩余的吸附質(zhì)濃度，mg/L；a為與最大吸附量有關(guān)的常數(shù)；b為與吸附能量有關(guān)的常數(shù)；K為常數(shù)。

對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)，則lgq=(1/n)·lgC+lgK；對(duì)式(2)進(jìn)行變換，則(1/q)=(1/ab)·(1/C)+(1/a)。將吸附試驗(yàn)結(jié)果采用Freundlich和Langmuir兩種吸附等溫方程進(jìn)行擬合，可得圖5、圖6。

圖5改性松木鋸末對(duì)磷吸附的Freundlich方程擬合

圖6改性松木鋸末對(duì)磷吸附的Langmuir方程擬合

Freundlich 和 Langmuir 兩種吸附等溫線描述改性松木鋸末對(duì)磷的等溫吸附特征分別如圖5和圖6所示。在Freundlich方程中，1/n為0.523，相關(guān)系數(shù)R2為0.995 9。在Langmuir方程中，a為常數(shù)4.74，b為常數(shù)7.62，相關(guān)系數(shù)R2為0.964 4?？梢钥闯鲇肍reundlich吸附等溫線方程能更加準(zhǔn)確地描述改性松木鋸末對(duì)磷吸附的特征，吸附等溫線方程為q=5.11C1/0.523。

3結(jié)論

(1)改性松木鋸末對(duì)磷的吸附作用主要發(fā)生在15 min內(nèi)；pH在6.0～9.0范圍內(nèi)，去除率較高且較穩(wěn)定；磷濃度在低濃度范圍內(nèi)，改性松木鋸末對(duì)磷的去除率均可達(dá)到95%以上。在吸附時(shí)間為15 min，pH為6，磷濃度為0.2 mg/L的條件下，改性松木鋸末的最佳投加量為0.4 g/L。

(2)用Freundlich吸附等溫線方程能準(zhǔn)確地描述改性松木鋸末對(duì)磷吸附的特征，吸附等溫線方程為q=5.11C1/0.523。

*基金項(xiàng)目：十二五國家重大水專項(xiàng)(2012ZX07203-003-Z02)。

作者簡(jiǎn)介秦哲，男，碩士，講師，主要從事水污染防治技術(shù)的研究。

(收稿日期：2016-01-15)

The Adsorption Research of Phosphorus in Eutrophication Water by Using the Modified Pine Sawdust

QIN ZheLIANG ShuxuanZHAO Xiaopei

(CollegeofChemistryandEnvironmentalScience,HebeiUniversityBaoding，Hebei071002)

AbstractThe modified pine sawdust is used as adsorbent, the adsorption removal of phosphorus in the simulated eutrophication water is researched. Experiments show that the adsorption of the modified pine sawdust on phosphorus mainly occurs within 15mins and the adsorption capacity tends to equilibrium state over 15mins. The phosphorus removal rate of the modified pine sawdust increases rapidly with the increase of pH from 4.0 to 6.0, but the removal rate is basically in a stable state with the increase of pH from 6.0 to 9.0. The removal rate all can reach above 95% when the phosphorus concentration is in low concentration range of 0.5～5 mg/L. The best dosage of the modified pine sawdust is 0.4 g/L. The characteristics of modified pine sawdust on phosphorus adsorption can be accurately described by Freundlich adsorption isotherm equation and the adsorption isotherm equation is q=5.11 C1/0.523.

Key Wordsmodified pine sawdusteutrophicationphosphorusadsorption