微波對吸附氨氮飽和沸石的再生

林 海,王 亮, 董穎博, 徐錦模

(1.北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083; 2.工業(yè)典型污染物資源化處理北京市重點實驗室, 北京 100083)

微波對吸附氨氮飽和沸石的再生

林 海1，2*,王 亮1，2, 董穎博1，2, 徐錦模1，2

(1.北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083; 2.工業(yè)典型污染物資源化處理北京市重點實驗室, 北京 100083)

以吸附氨氮飽和的斜發(fā)沸石為研究對象,分別采用單獨微波輻射及微波輔助溶劑法對其進行再生研究.研究發(fā)現(xiàn),單獨微波輻射再生效果較差,功率462 W, 微波輻射12 min,飽和沸石再次去除率為32.31%,再生率僅為44.88%;添加NaCl和NaOH混合液可以大大增強飽和沸石的再生效果,在NaCl和NaOH混合液濃度均為0.01 mol/L,固液比1∶50,功率700 W,微波輻射4 min時,最佳去除率為71.92%,再生率接近100%. 通過FTIR, SEM, EDS等測試手段對改性、吸附、再生前后的沸石分析發(fā)現(xiàn), 沸石在改性、吸附、再生過程中主要發(fā)生的是不同陽離子間交換過程. 微波輻射加速了NH4+與Na+交換過程且加深了離子交換平衡程度,因此微波輔助溶劑法具有再生迅速、完全,多次再生效果基本不衰減的優(yōu)點.

氨氮；飽和沸石；微波；再生；離子交換

水體中氨氮濃度過高會引起水體的富營養(yǎng)化,造成藻類大量繁殖、溶解氧量銳減,水生生物死亡,使水質(zhì)嚴(yán)重惡化[1].沸石因其獨特的骨架結(jié)構(gòu)而具有很強的吸附性和離子交換性,被廣泛應(yīng)用于水體中氨氮等污染物的去除.目前,國內(nèi)外利用沸石作為環(huán)境吸附材料的研究主要集中在對天然沸石進行改性來提高對氨氮的吸附容量,但在提高去除效果的同時也增加了應(yīng)用成本, 如果對吸附飽和后的沸石處理不當(dāng),更會造成二次污染.可以說,能否對吸附飽和后的沸石進行快速、高效再生,能否使吸附材料循環(huán)使用,將直接影響沸石等吸附材料在水處理領(lǐng)域的實際應(yīng)用及經(jīng)濟性.但當(dāng)前對吸附氨氮飽和沸石的再生問題研究較少,且多數(shù)只簡單采用化學(xué)藥劑法再生[2],再生藥劑用量大,容易造成二次污染；也有學(xué)者試驗汽提法[3]對飽和沸石再生,但再生不完全且多次再生后效率會急劇下降;吸附氨氮飽和沸石也可采用生物再生法再生[4],但再生周期較長;另外,少數(shù)學(xué)者研究了電化學(xué)法對飽和沸石的再生[5-6],電化學(xué)法一般再生成本較高,難以工業(yè)化應(yīng)用.近年來,微波加熱技術(shù)被越來越多的研究者所青睞,用于沸石、活性炭等材料改性、吸附有機相飽和吸附劑的再生,如常琛等[7]研究了微波-氯化鈉法對沸石的改性作用,發(fā)現(xiàn)在微波功率476 W,微波作用時間9 min,氯化鈉質(zhì)量濃度80 g/L時改性沸石對沼液中COD、氨氮、總磷的去除率顯著提高,分別達到32.26%, 89.05%, 48.33%;李立清等[8]研究了微波改性對活性炭及其對甲醇吸附的影響,發(fā)現(xiàn)微波改性可以增加活性炭微孔數(shù)量,顯著提高其對甲醇的吸附性能;Han等[9]研究了微波輻射對吸附孔雀綠飽和沸石的再生問題,研究表明,與常規(guī)的電熱再生、溶劑再生相比,微波再生無論從再生時間、再生效果上都要更佳,且經(jīng)多次再生,沸石再生率也保持較高; Foo等[10]研究了微波對吸附亞甲藍飽和活性炭的再生過程,發(fā)現(xiàn)微波再生后,活性炭中大量細孔變?yōu)榻榭?介孔對吸附質(zhì)的釋放有重要作用.但微波技術(shù)用于吸附氨氮飽和沸石的再生還未見報道.本文將微波技術(shù)引入吸附氨氮飽和沸石的再生研究,分別采用單獨微波輻射及微波輔助溶劑法對其進行再生,并分析微波再生機理,旨在實現(xiàn)沸石的循環(huán)利用,回收資源,為沸石的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 實驗材料和方法

1.1 材料與試劑

實驗所需沸石為沈陽法庫天然斜發(fā)沸石, 選取粒度為0.075～0.106 mm, 表1為原沸石的主要化學(xué)成分.

表1 原沸石的主要化學(xué)成分

試劑：氫氧化鈉，鹽酸，NH4Cl，NaCl，酒石酸鉀鈉，納氏試劑,均為分析純

1.2 樣品的制備

改性沸石的制備：采用鹽熱改性來提高沸石的吸附氨氮能力,NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%,固液比1∶20, 300 r/min, 鹽改時間2 h;焙燒溫度500 ℃,焙燒時間0.5 h,密閉方式冷卻后備用.

飽和沸石的制備：采用沸石吸附高濃度NH4Cl法,即將改性沸石以2 g/L的量加入到pH=6～7的100 mg/L的NH4Cl溶液中,反應(yīng)3 h達吸附平衡后用去離子水清洗,并于烘箱內(nèi)烘干備用.經(jīng)測定,沸石對氨氮的飽和吸附量為5.4 mg/g.

1.3 飽和沸石的微波再生

微波單獨再生飽和沸石：稱取0.5 g飽和沸石于玻璃燒杯中,放入微波爐中作用12 min，取出后備用.

微波輔助溶劑再生飽和沸石：將飽和沸石浸泡在溶液中一同放入微波爐中作用.稱取0.5 g的飽和沸石于玻璃燒杯中,按不同固液比加入摩爾比為1∶1的NaOH和NaCl稀溶液,然后將混合物共同置于微波爐中作用4 min,過濾后用去離子水清洗再生后的沸石,并將其置于105 ℃烘箱內(nèi)烘干備用.

試驗所用微波爐產(chǎn)自格蘭仕集團,型號為P70F23P-G5(SO),分5個檔位,功率分別為119 W，280 W，462 W，595 W，700 W.

1.4 吸附實驗

為評價飽和沸石的再生效果,需對再生后沸石進行實際應(yīng)用時的再吸附實驗.分別將微波單獨再生沸石與微波輔助溶劑再生沸石以2 g/L的量加入到pH=6～7的10 mg/L的NH4Cl溶液中,并將其放入恒溫振蕩培養(yǎng)箱攪拌反應(yīng)3 h后，用0.45 μm濾膜過濾并測定濾液中氨氮濃度.此吸附條件為經(jīng)試驗優(yōu)化后的最佳吸附條件.

1.5 分析方法

氨氮的測定采用國家標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì) 氨氮的測定 鈉氏試劑分光光度法》(HJ535-2009).

1.6 飽和沸石微波再生機理研究

采用JSM-6510A型掃描式電子顯微鏡進行SEM-EDS分析, Nicolet Nexus 670型紅外光譜儀進行紅外分析,研究不同沸石樣品間形貌、元素組成及結(jié)構(gòu)變化和可能發(fā)生的反應(yīng),從而分析得出沸石的再生機理.

1.7 數(shù)據(jù)分析

再生試驗中每組條件均進行3次平行試驗來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,其實驗數(shù)據(jù)經(jīng)SPSS19.0 進行方差分析,并采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差(X±SD)的形式示于圖中.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 單獨微波輻射對沸石的再生

2.1.1 微波時間對飽和沸石再生的影響

在280 W功率下,對飽和沸石微波輻射不同時間后, 測定再生效果,結(jié)果如圖1所示. 由圖1可知，隨微波輻射時間的增加,沸石再生效果先增加后減小,在12 min時對氨氮的去除率為28.6%, 達到最大,而此后隨著微波時間的增加,去除率降低至14.94%.這是由于,一方面,微波輻射時,沸石中極性的水分子與極性的NH4+會吸收微波使沸石溫度達300～400 ℃甚至更高,沸石會發(fā)生脫氨反應(yīng)[11],即吸附在沸石表面的部分NH4+在高溫作用下會脫離沸石骨架,以氨氣的形式逸出,恢復(fù)部分吸附氨氮能力;另一方面,微波加熱作用也會脫除沸石孔道內(nèi)的吸附水和雜質(zhì),氨氮吸附能力增強,但隨著微波作用時間的增加,沸石吸附更多的微波,溫度過高,則會破壞沸石的孔隙結(jié)構(gòu),甚至造成孔道坍塌,降低沸石的吸附性能[12].

微波再生時間/min

2.1.2 微波功率對飽和沸石再生效果的影響

圖2所示為微波輻射12 min,不同微波功率對飽和沸石再生效果的影響,可見在100～700 W的功率范圍內(nèi),微波加熱12 min并不會令飽和沸石產(chǎn)生過熱效應(yīng)而損害其孔隙結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為不同功率對飽和沸石再生效果影響不大,去除率的變化幅度僅為3%左右,在462 W時取得最大去除率32.31%.

微波功率/W

2.2 微波輔助溶劑法對沸石的再生

經(jīng)單獨微波再生后的飽和沸石,對氨氮去除率最大為32.31%,再生率僅為44.8%,再生效果有限,需添加再生劑來獲得更好的再生效果.

2.2.1 不同微波時間對飽和沸石再生效果的影響

以摩爾比為1∶1, 濃度均為0.01 mol/L的NaCl和NaOH混合液為再生劑,在280 W功率下,將飽和沸石與再生液按1∶60的固液比微波再生不同時間,測其再生效果如圖3所示.

微波再生時間/min

新鮮改性沸石的去除率為72%左右.以NaCl和NaOH為再生劑的條件下,微波再生過程十分迅速,微波2 min去除率就恢復(fù)到56.5%,4 min時達到再生平衡,去除率為69.9%,再生率可達97.2%,4 min為最佳的微波再生時間.

2.2.2 不同固液比對飽和沸石再生效果的影響

在280 W功率,不同沸石與再生液固液比條件下微波再生4 min,結(jié)果如圖4所示.

固液比/(g·mL-1)

由圖4可知,隨著固液比的減小,飽和沸石的再生效果增強,由1∶20時的57.53%增加到1∶50時的69.72%.固液比越高,通過離子交換作用解吸出的NH4+在再生液中的濃度升高越迅速,而反過來高的NH4+濃度又會抑制NH4+從沸石骨架中解吸出來,影響Na+與NH4+交換平衡;而低的固液比卻會造成高的再生成本,不利于實際應(yīng)用,因此,選取1∶50為最佳微波再生的固液比.

2.2.3 不同微波功率對飽和沸石再生效果的影響

將沸石與再生液以1∶50的固液比在不同功率下微波輻射4 min后，測再生效果,如圖5所示.

微波功率/W

隨著功率的增加,飽和沸石的再生效果基本呈增加趨勢,由119 W時的51.12%增加到700 W時的72.27%, 700 W為最佳再生功率.不同功率引起再生效果差異的原因在后文有詳細敘述.2.2.4 不同再生劑濃度對飽和沸石再生效果的影響

將飽和沸石與不同濃度再生液以1∶50的固液比在700 W功率下微波輻射4 min,測其對飽和沸石的再生效果,如圖6所示.

再生液濃度/(mol·L-1)

NaCl和NaOH組合再生劑可以很好地促進沸石中NH4+的解吸脫附,一方面,在離子交換應(yīng)用中Na+更易交換出其他陽離子[13-14];另外,OH-的存在可以抑制沸石對NH4+的選擇性吸附[15],且交換出的NH4+與OH-生成NH3,降低再生液中的NH4+濃度,使離子交換平衡向NH4+解吸的方向移動.總體來看,微波輻射作用下,在很低的再生液濃度下飽和沸石就可以得到完全再生,0.005 mol/L的再生液就可以獲得63.12%的去除率,此時的再生率為87.67%;再生液濃度為0.01 mol/L時沸石骨架中吸附的NH4+就被完全解吸出來,去除率達71.92%,再生率接近100%.

2.2.5 不同再生次數(shù)對飽和沸石再生效果的影響

在最優(yōu)條件下對飽和沸石進行多次吸附-解吸循環(huán)操作,分別測定30 min及平衡時再生后沸石的去除率,結(jié)果如圖7所示.

再生次數(shù)

飽和沸石經(jīng)5次吸附-再生后30 min及平衡時去除率均沒有降低,說明多次微波再生后沸石的

吸附速率和吸附量均保持較高水平,甚至?xí)^新鮮沸石,而常規(guī)的溶劑法不但所需再生液濃度高,而且連續(xù)再生5次后去除率會降低6.7個百分點.可以認(rèn)為,在特定條件下,沸石骨架中Na+與NH4+的交換作用是完全可逆的.同時,再生液可以保護沸石免被微波加熱所致高溫破壞孔隙結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì),導(dǎo)致吸附性能損失,多次再生后沸石質(zhì)量幾乎沒有損失.

3 飽和沸石微波再生機理研究

微波是一種頻率在300 MHz～300 GHz之間的高頻電磁波,目前微波爐所用頻率一般為2 450 MHz.當(dāng)受到微波輻射時,介質(zhì)會與微波發(fā)生相互作用,介質(zhì)中的極性分子或離子會隨著微波能量場的變化進行高速的碰撞、摩擦,產(chǎn)生熱量,且這種作用在介質(zhì)材料內(nèi)部、外部是同時的,所以加熱是高效、瞬時的.對于NH4+等極性離子,微波輻射對吸附質(zhì)的脫附一方面是微波直接作用于吸附質(zhì)使其脫附,另外是微波加熱吸附劑材料產(chǎn)生的高溫所致[16].

3.1 不同沸石樣品紅外光譜分析

采用Nicolet Nexus 670型紅外光譜儀對原沸石、改性沸石、飽和沸石、再生后沸石樣品進行紅外測試,掃描范圍為400～4 000 cm-1.結(jié)果如圖8所示.

波數(shù)/cm-1

波數(shù)/cm-1

圖8顯示,不同沸石樣品的光譜圖基本相同,說明原沸石經(jīng)一系列的改性、吸附、再生后并不會改變沸石的基本骨架結(jié)構(gòu).圖中461～790 cm-1的幾個吸收峰分別為Si-O, O-Si(Al)-O, Si-O-Si(Al)的變形振動引起的;1 052～1 067 cm-1為Si(Al)-O的非對稱伸縮振動,對評估晶體結(jié)構(gòu)中鋁含量有重要意義;1 636～1 647 cm-1, 3 428～3 449 cm-1的吸收峰均是由沸石骨架結(jié)構(gòu)中晶格水引起的,分別為O-H的彎曲振動和O-H的非對稱伸縮振動[17-18].

對比圖9中不同沸石樣品圖譜發(fā)現(xiàn),沸石經(jīng)鹽熱改性并不會引入新的官能團和化學(xué)鍵,但經(jīng)熱改性后3 428～3 449 cm-1處吸收峰強度明顯減弱,是因沸石經(jīng)高溫焙燒失去晶格水引起的;而沸石吸附NH4+后會在1 401 cm-1與1 470 cm-1附近增加2個吸收峰,這與文獻[19]1 435 cm-1處NH4+吸收峰相近(也有文獻[17]指出1 400 cm-1與1 460 cm-1附近雙峰為NH4+形變振動),均能說明沸石吸附了NH4+且與沸石骨架形成了化學(xué)鍵,沸石對NH4+的吸附主要為化學(xué)吸附作用.再生后沸石譜帶中的NH4+吸收峰完全消失,說明經(jīng)再生后NH4+從沸石骨架中脫離下來,沸石的吸附性能也得以恢復(fù).

3.2 不同沸石樣品SEM-EDS分析

采用JSM-6510A型JEOL鎢燈絲掃描式電子顯微鏡對不同沸石樣品進行SEM-EDS面掃描分析,結(jié)果如圖9所示.

圖9 原沸石、改性沸石、飽和沸石和再生沸石的SEM與EDS分析

圖9中SEM(2 000×)圖對比發(fā)現(xiàn),原沸石上有較多的雜質(zhì)顆粒,遮蔽沸石部分有效表面,影響了沸石的吸附性能.而沸石經(jīng)改性后顆粒雜質(zhì)得到去除,使沸石的吸附位點完全暴露在表面,沸石中陽離子與NH4+交換反應(yīng)更加完全.沸石經(jīng)吸附氨氮及再生后表面形貌變化不大.說明與孔道和比表面積關(guān)系較大的靜電吸附作用并不是影響沸石對NH4+吸附、解吸的主要因子[20],沸石對NH4+吸附、解吸以離子交換作用為主.

斜發(fā)沸石的離子交換選擇性順序[11]：

Cs+>Rb+>K+>NH4+>Ba2+>Sr2+>Na+>Ca2+>Fe3+>Al3+>Mg2+>Li+.

在同等條件下,選擇性越靠前,越易被交換,EDS分析結(jié)果表明,在一系列改性、吸附、解吸再生過程中確定發(fā)生了離子交換作用.改性時, K+與Ca2+減少,Na+增加;吸附時,Na+減少,K+進一步減少,NH4+增加(紅外);再生時,NH4+減少,Na+明顯增加;Mg2+含量不多,且在整個過程中變化不大.原因是斜發(fā)沸石NH4+的選擇性要高于Na+,在高濃度NH4+存在下能進一步交換出Na+所沒有交換的K+;而Mg2+等陽離子是不可交換的,是雜質(zhì)或沸石骨架的組成部分,結(jié)合力強.總體來看,沸石改性與再生過程相似,均是通過增加沸石中活性陽離子交換位點數(shù)來提高沸石對NH4+的吸附能力.

表2 不同沸石樣品EDS結(jié)果分析

3.3 微波輔助溶劑法再生沸石的機理

功率不同,微波再生時再生液與沸石反應(yīng)狀態(tài)會有差異,不同功率作用下沸石的再次去除率和再生液氨氮濃度與體積見表3.

結(jié)合FTIR和EDS分析結(jié)果及表3數(shù)據(jù),沸石改性、吸附、再生過程中離子交換反應(yīng)機制如下：

改性：

Z-K++ Na+Z-Na++ K+

Z2-Ca2++ 2Na+Z2-(Na+)2+Ca2+

吸附：

Z-Na++ NH4+Z-NH4++ Na+

Z-K++ NH4+Z-NH4++ K+

再生：

Z-NH4++ Na+Z-Na++ NH4+

NH4++OH-→NH3↑+H2O

其中Z-為帶負(fù)電的沸石骨架.離子交換量與存在于沸石骨架中活性陽離子交換位點數(shù)是一致的[18].已有研究表明,在微波作用下離子交換速率會大幅提高,促使交換過程在更深部位發(fā)生,提高總的交換度[21],進而增加可以有效吸附NH4+的吸附位點的數(shù)量.同樣在本文研究中,一方面微波輻射會使反應(yīng)分子活化,促進沸石陰離子骨架與NH4+間鍵的快速斷裂,加速離子交換過程;另一方面微波輻射改變了反應(yīng)體系的固液比、再生液濃度,盡管固液比變大,但再生液中NH4+濃度并沒有隨著解吸而升高,而是與OH-結(jié)合生成氨氣,Na+與NH4+的交換持續(xù)發(fā)生,使更多的NH4+解吸出來,因而加大了飽和沸石中NH4+與再生液中Na+的離子交換度,有效恢復(fù)沸石骨架中NH4+吸附位點數(shù)量.因此微波輔助溶劑法再生具有再生迅速、完全,多次再生效果基本不衰減的優(yōu)點.

對于再生過程中剩余的再生液可以考慮重復(fù)利用,產(chǎn)生的氨氣和水蒸氣可以通過冷凝回收氨水.

表3 不同再生條件對再生的影響

4 結(jié) 論

1)單獨微波法再生吸附氨氮飽和沸石取得最佳工藝條件為：功率462 W,微波輻射時間12 min,再生效果較差,沸石的氨氮去除率恢復(fù)至32.31%,再生率僅為44.88%.

2)獲得了微波輔助溶劑法再生最佳工藝參數(shù),在NaCl和NaOH混合液濃度均為0.01 mol/L,固液比 1∶50,功率700 W,微波時間4 min的條件下,再生后沸石氨氮去除率為71.92%,得到了完全再生,經(jīng)5次再生后沸石吸附量和吸附速率均沒有下降,其再生劑濃度、再生時間、多次再生率均低于常規(guī)溶劑再生法.表明微波輔助溶劑法再生沸石是一種快速、高效的再生方法.

3)EDS和FTIR等分析結(jié)果表明,沸石在改性、吸附、再生過程中主要發(fā)生的是不同陽離子間交換過程.微波輔助溶劑法的再生機理是,微波輻射大幅度提高了NH4+與Na+的交換速率并加深了離子交換平衡程度,使再生的離子交換過程快速發(fā)生直至沸石骨架中NH4+完全解吸下來.

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Regeneration of Modified Zeolite Saturated with Ammonia Nitrogen by Microwave

LIN Hai1,2?, WANG Liang1，2, DONG Ying-bo1,2, XU Jin-mo1,2

(1.School of Energy and Environmental Engineering, Univ of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.Beijing Key Laboratory on Resource-oriented Treatment of Industrial Pollutants , Beijing 100083, China)

Modified clinoptilolite saturated with ammonia nitrogen was regenerated by microwave radiation alone and microwave-assisted regeneration solution, respectively. The study showed that the poor regeneration effect was obtained by microwave alone. The adsorption removal efficiency of ammonia onto spent zeolite after regeneration restored to 32.31% under the conditions of the power of 462 W and microwave radiation of 12 min， and the regeneration rate was only 44.88 %. The regeneration effect of the saturated zeolite was highly enhanced by adding mixed solution of NaCl and NaOH. The saturated zeolite achieved the maximum removal rate of about 71.92%, and the regeneration rate was close to 100%, when it was treated in NaCl and NaOH mixed solution concentration of 0.01 mol/L, the ratio of solid to liquid as 1∶50, the power of 700 W, and the microwave radiation of 4 min. For all the zeolites before and after modification, adsorption and regeneration were fully characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) technique. The results demonstrated that zeolites mainly exhibited cation exchange in the process of modification, adsorption and regeneration. Microwave radiation accelerated the exchange process and deepened the ion exchange equilibrium degree between NH4+and Na+, which contributes to the NH4+desorption from zeolite framework fast and completely.

ammonia nitrogen；saturated zeolite；microwave；regeneration；ion exchange

1674-2974(2016)12-0140-08

2015-04-12 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51174017), National Natural Science Foundation of China(51174017) 作者簡介：林 海(1966-), 男, 四川儀隴人, 北京科技大學(xué)教授, 博士生導(dǎo)師 ?通訊聯(lián)系人，E-mail: linhai@ces.ustb.edu.cn

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