粘土礦物材料凈化水體中氮磷的研究

郭鑫瑤

(湖南師范大學附屬中學，　湖南 長沙　430100)

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粘土礦物材料凈化水體中氮磷的研究

郭鑫瑤

(湖南師范大學附屬中學，湖南 長沙430100)

氮磷含量超標容易導致水體富營養(yǎng)化。采用粘土礦物可以凈化水體中的氮磷。本研究以海泡石、綠沸石、飯麥石、火山石4種粘土礦物材料為研究對象，開展其吸附凈化模擬富營養(yǎng)化水溶液中氮磷的研究。研究結果表明，海泡石和綠沸石對水溶液中NH4+，以及海泡石和火山石對水溶液中總磷的去除效果明顯。用2%的海泡石處理5 min后，水溶液中NH4+的去除率達到90%以上，水溶液中總磷的去除率達到50%左右，可有效緩解或凈化水體中氮磷，防治水體富營養(yǎng)化。

粘土礦物；氮磷富營養(yǎng)化；凈化水體

0　引　言

隨著我國工農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，大量生活污廢水和工業(yè)廢水導致水體中氮磷含量迅速增高，水體富營養(yǎng)化日趨嚴重。對我國25個大中型湖泊調(diào)查結果表明，大約92%的湖泊趨于富營養(yǎng)化[1]；一些淡水湖如太湖、洪澤湖、巢湖的富營養(yǎng)程度已經(jīng)比較突出[2]。解決水體富營養(yǎng)化問題迫在眉睫。氮磷是導致水體富營養(yǎng)化的根本原因[3]。因此，水體富營養(yǎng)化的首要問題是去除水體中氮磷營養(yǎng)元素。目前，針對富營養(yǎng)化水體的治理方法主要有生物法、化學法和吸附法[4]。吸附法是選擇具有較強吸附氮磷的材料來處理。粘土礦物材料可以用來吸附水體中的氮磷。李彬等[5]利用稀土鑭改性的沸石可有效去除氨氮和磷；張林棟等[6]利用氯化鎂與氯化鐵等改性海泡石可以在15 min內(nèi)達到吸附平衡；陳琳荔等[7]采用加熱、羥基鋁柱撐和稀土鑭改性麥飯石能有效去除氮磷；聶鳳等[8]使用酸堿改性火山石處理城鎮(zhèn)污水，經(jīng)過改性后的火山石對總磷和總氮都有較好的去除效果。上述研究都是關于改性粘土礦物來處理污廢水。如果直接使用天然粘土礦物材料來處理氮磷含量超標水體，尤其是城市內(nèi)河水體，吸附氮磷的粘土礦物污泥可作為有機肥料返回城市綠化地帶，不僅可以解決水體富營養(yǎng)化問題，又可以改善土壤肥力和質(zhì)地結構，而且不造成任何的二次污染。因此，本研究以海泡石、綠沸石、飯麥石、火山石4種粘土礦物為吸附材料，模擬含氮磷水溶液作為富營養(yǎng)化水體溶液，研究4種天然礦物材料對水溶液中氮磷的的去除效果，為直接利用粘土礦物吸附凈化氮磷超標的微富營養(yǎng)化水體提供科學依據(jù)。

1　材料和方法

1.1實驗材料

將海泡石、綠沸石、飯麥石、火山石4種粘土礦物材料在研缽中磨碎，過200目后備用。

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)，用NH4Cl和KH2PO4配制氮磷質(zhì)量濃度分別為20 mg/L和1 mg/L的水溶液作為富營養(yǎng)化水體溶液，模擬水溶液pH值為6.5。

1.2實驗設計

在250 mL錐形瓶中加入50 mL上述模擬富營養(yǎng)化水溶液，分別稱取四種粘土礦物材料1 g，在上述溶液中分別投加粘土礦物材料(粘土礦物材料與水溶液的質(zhì)量比為2%)。在25℃，轉速200 r/min條件下，在水浴恒溫振蕩器中振蕩，分別在振蕩5，30，60，90，120，180，240，480 min后取樣，過濾，測量濾液中總磷和總氮(NH4+)含量，振蕩處理前后總磷和氨氮(NH4+)含量的差值就是粘土礦物材料吸附的量。每個實驗重復3次。

1.3測試與分析

模擬水溶液pH值采用Mettler Toledo 420 pH計測定，水溶液中總磷含量采用鉬酸銨分光光度法測定，氨氮含量采用水楊酸分光光度法測定。所有實驗數(shù)據(jù)采用Excel進行處理與分析。

2　結果與分析

2.1粘土礦物對水溶液中氨氮的吸附效果

4種粘土礦物材料對水溶液中NH4+的去除效率如圖1所示。從圖1中可以看出，粘土礦物對水溶液中氮的吸附是一個快速吸附過程，綠沸石和海泡石對水溶液中NH4+的去除效果明顯優(yōu)于火山石和飯麥石。用2%的海泡石和綠沸石處理5 min后，海泡石和綠沸石對水溶液中NH4+的去除率達到90%左右，在120 min后對水溶液中NH4+的去除率達到99%左右。而飯麥石和火山石對水溶液中NH4+的去除效果遠遠低于海泡石和綠沸石，在30 min內(nèi)達到最大吸附效果，對水溶液中NH4+的去除率僅約30%左右。由此可見，海泡石和綠沸石在去除水中NH4+效果明顯，是比較理想的吸附凈化材料。有研究表明，綠沸石和海泡石的比表面積較大，孔徑均勻，具有特殊的分子結構，尤其是綠沸石內(nèi)部的孔穴和孔道一旦有“空缺”時，就會表現(xiàn)出很強的吸附能力[9]。

圖1　粘土礦物材料對書溶液中NH4+的吸附凈化效果

2.2粘土礦物對水溶液中總磷的吸附效果

4種粘土礦物材料對水溶液中總磷的去除率如圖2所示。從圖2中可以看出，粘土礦物對水溶液中磷的吸附是一個快速吸附過程。海泡石和火山石對水溶液中磷的去除效果較好，而綠沸石和麥飯石對水溶液中磷的去除效果較低，海泡石和火山石對總磷的去除率優(yōu)于綠沸石和飯麥石。然而，4種粘土礦物材料對水溶液中磷的去除效率均不高。用2%的海泡石和火山石振蕩處理5 min后，4種粘土礦物材料對水溶液中磷的吸附已經(jīng)達到一個較高值，海泡石和火山石對水溶液中總磷的去除率大約在50%左右，綠沸石和飯麥石對水溶液中總磷的去除率大約在20%～30%之間。在供試的480 min內(nèi)，4種吸附材料對水溶液中磷的吸附幾乎沒有變化，相反，還存在輕微的解吸，表明4種礦物材料快速吸附上的PO42-在水溶液振蕩過程中一直處于吸附、解吸的動態(tài)平衡過程?？赡苁怯捎诰G沸石等粘土礦物表面帶有負電荷，為保護電中和，缺少的正電荷由附近帶正電的陽離子來補償平衡[9]。

圖2　4種土壤礦物對總磷的去除率

3　結　論

(1) 海泡石、綠沸石、飯麥石、火山石4種粘土礦物材料對水體中氮磷的吸附性能不同。粘土礦物對水溶液中氮磷的吸附均是一個快速吸附過程。

(2) 海泡石和綠沸石對水溶液中NH4+的去除效率很高，用2%的海泡石和綠沸石處理5 min后，海泡石和綠沸石對水溶液中NH4+的去除率達到90%左右，在120 min后，水溶液中NH4+的去除率可達到99%左右。海泡石和火山石對水溶液中總磷的去除效果明顯，用2%的海泡石和火山石處理5 min后，水溶液中總磷的去除率大約達到50%左右，且去除效果穩(wěn)定。

(3) 海泡石對氮磷同時超標的水體來說是一個理想的粘土礦物吸附材料，可以用來處理氮磷超標的水體尤其是城市內(nèi)河水體，防治其富營養(yǎng)化。

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2016￣06￣09)