鋼渣對(duì)水溶液中磷、砷的吸附特性

王莉紅，　高外瓊，　張艮林，　蘭堯中

(云南大學(xué) a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院; b. 學(xué)報(bào)編輯部, 昆明 650091)

0　引　言

水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重威脅著我國(guó)各類水體，磷污染是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因[1]，與此同時(shí)，砷污染也成為了國(guó)內(nèi)幾大湖泊污染的的重要因素[2-3]。目前，可以商用的除磷方法主要有吸附法[4-5]、生物法[6]、土壤濕地除磷法[7-8]等，除砷方法主要有吸附法[9-11]、共沉淀法[3]、膜分離法等。吸附法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單和有效的除磷、除砷方法，但處理成本和吸附容量之間的矛盾一直制約著吸附材料的應(yīng)用，找到一種經(jīng)濟(jì)、效果較好的除磷、除砷的吸附材料，仍是值得我們較多研究[12]。

鋼渣主要由鈣、 鐵、 硅、鎂和少量鋁、錳、磷等氧化物組成，具有孔徑結(jié)構(gòu)、較大的比表面積[13]，數(shù)量巨多，目前主要用于冶金工業(yè)和建筑材料，但利用率不到22%[14]。鋼渣性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，具有較好的吸附能力，用來(lái)處理廢水，可以以廢治廢，有較好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，特別適合用于經(jīng)濟(jì)落后的偏遠(yuǎn)地區(qū)。目前鋼渣作為吸附材料主要用來(lái)處理水中的重金屬及其磷，但對(duì)砷的去除，特別是對(duì)除磷除砷的對(duì)比研究報(bào)道較少，再加上各地鋼渣成分含量有所不同，吸附性能也會(huì)有所差別。本文采用云南某鋼鐵有限公司的鋼渣作為吸附材料，探討了其對(duì)模擬含磷、含砷水溶液中磷和砷的吸附性能，為今后利用鋼渣處理含磷、含砷廢水提供一定的理論參考。

1　材料與方法

1.1　實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用鋼渣是云南某鋼鐵有限公司的轉(zhuǎn)爐鋼渣，實(shí)驗(yàn)前該物料全部碎至50目。鋼渣的基本化學(xué)成分含量如表1所示(質(zhì)量百分含量)。

表1　鋼渣基本化學(xué)成分

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)整鋼渣用量、接觸時(shí)間、溶液pH值、溶液磷、砷初始濃度等參數(shù)，進(jìn)行鋼渣對(duì)磷、砷吸附條件的優(yōu)化。含磷溶液由KH2PO4(分析純)和去離子水配制，砷溶液采用As(III)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液在實(shí)驗(yàn)室配置，pH用HCl、NaOH溶液調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程是將鋼渣和含磷、砷的水溶液置于50 mL三角錐形瓶中，然后放置在恒溫振蕩器中振蕩一定時(shí)間后，測(cè)量磷和砷的殘余濃度，從而計(jì)算其去除率、吸附量等。

1.3　分析方法

本實(shí)驗(yàn)采用釩鉬酸分光光度法測(cè)定磷的濃度，氫化物-原子吸收分光光度法測(cè)定砷的濃度。鋼渣對(duì)磷、砷的吸附量qe、去除率a采用下式計(jì)算：

式中：qe為吸附劑的平衡吸附量(mg/g)；C0和Ce分別為磷、砷的初始濃度和平衡濃度(mg/L)；V為水樣體積(mL)；m為吸附劑的量(g)；a為去除率(%)。

2　結(jié)果與討論

2.1　鋼渣投加量對(duì)磷、砷的去除分析

從理論上講，吸附劑的投加量越多，對(duì)污染物的去除效果就越好。但在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)考慮經(jīng)濟(jì)成本及后續(xù)的一些相關(guān)工作，因此選取一個(gè)較佳的投加量。圖1顯示，隨著鋼渣投加量的增加，磷和砷的去除率也都在增加，吸附量都在減少，但對(duì)于50 mg/L高初始濃度的磷溶液，投加量為0.75 g/100 mL時(shí)，磷的去除率便可達(dá)99%以上；對(duì)于初始濃度為10 mg/L砷溶液投加量為6 g/100 mL時(shí)，砷的去除率也可達(dá)99%以上。同時(shí)，鋼渣對(duì)砷的吸附量相對(duì)于磷的變化較小，因此，從投加量上來(lái)看，鋼渣對(duì)砷有一定的去除效果，但鋼渣對(duì)磷的去除效果要遠(yuǎn)高于對(duì)砷的去除效果，是一種較好的除磷材料，在給定的磷和砷的初始濃度下，最佳投加量分別為0.75 g/100 mL和6 g/100 mL。

圖1　鋼渣投加量的影響

2.2　接觸時(shí)間對(duì)磷、砷的去除分析

吸附時(shí)間是材料在實(shí)際應(yīng)用中考慮的重要因素之一，圖2所示為鋼渣與磷、砷接觸時(shí)間對(duì)于去除率的影響曲線圖。隨著接觸時(shí)間的增加，磷、砷的去除率都在增加，在2 h內(nèi)，磷的去除率達(dá)到73%，5 h達(dá)到99%，即在給定的條件下，鋼渣對(duì)磷的吸附平衡時(shí)間是5 h；在0.5 h內(nèi)，砷的去除率達(dá)到78%，6 h達(dá)到93%，之后隨著時(shí)間增加去除率變化緩慢，12 h后吸附量趨于飽和，故鋼渣對(duì)砷的吸附主要發(fā)生在0.5 h內(nèi)，是一種快速吸附，緩慢平衡的過(guò)程。

2.3　溶液pH對(duì)磷、砷的去除分析

圖2　接觸時(shí)間的影響

圖3　pH的影響

2.4　溶液初始濃度對(duì)磷、砷的去除分析

溶液的初始濃度會(huì)影響吸附質(zhì)向吸附劑表面的擴(kuò)散能力，溶液本體濃度的增加，可以提供驅(qū)動(dòng)力克服水相和固相之間的傳質(zhì)阻力，增加吸附質(zhì)向吸附劑表面的遷移動(dòng)力，從而增加吸附劑的吸附量[18]。從圖4可以看出，隨著磷、砷的初始濃度的增加，鋼渣對(duì)磷、砷的吸附量也都在增加，砷的去除率都是先增加后減少，磷的去除率變化不是特別明顯。當(dāng)磷的初始濃度大于60 mg/L時(shí)，去除率仍然高于95%，因此可以說(shuō)，鋼渣對(duì)磷是易吸附的，適合比較寬的磷濃度；鋼渣對(duì)于砷的吸附，適合較低濃度，在砷濃度為2 mg/L，去除率較大。

圖4　初始濃度的影響

2.5　鋼渣對(duì)磷、砷共存的去除分析

磷和砷在元素周期表中屬于同一主族，磷酸鹽和砷酸鹽有某些共性，實(shí)驗(yàn)?zāi)M配制了不同摩爾比P/As的溶液，考察鋼渣對(duì)磷、砷的去除性能。由圖5可以看出，隨著P/As摩爾比的增大，鋼渣對(duì)磷的吸附量不斷增大，而對(duì)砷的吸附量逐漸下降。當(dāng)P/As摩爾比小于5時(shí)，砷對(duì)鋼渣吸附磷有強(qiáng)烈的影響，即磷和砷的吸附為強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)性吸附，當(dāng)P/As摩爾比大于10時(shí)，砷的吸附量已接近于零。因此可以得出，鋼渣是一種良好的吸附除磷材料，對(duì)砷也有一定的吸附能力，鋼渣對(duì)磷和砷的吸附為競(jìng)爭(zhēng)性吸附。

圖5　P/As摩爾比的影響

2.6　鋼渣對(duì)磷、砷的吸附動(dòng)力學(xué)模型

溶質(zhì)在固體表面的吸附反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可用Lagergren準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述19]，線性方程表達(dá)式如下：

(3)

式中:t為吸附時(shí)間(min)；Qt為t時(shí)刻的吸附量(mg/g)；Qe為理論的平衡吸附量(mg/g)；k2為吸附速率常數(shù)g/(mg·min)。

由圖6、7和表3可知，鋼渣對(duì)磷、砷的吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)均符合Lagergren準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，擬合優(yōu)度的相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.980 4、0.999 9，均達(dá)顯著水平。鋼渣對(duì)磷、砷的吸附是十分復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，吸附過(guò)程包括磷、砷向鋼渣表面的快速擴(kuò)散吸附，隨后是在鋼渣內(nèi)部孔隙(顆粒的內(nèi)表面)的吸附[20]，具有快速吸附，緩慢平衡的特點(diǎn)。

圖6　鋼渣吸附磷的二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合

圖7　鋼渣吸附砷的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合

Qe/[g·(mg·min)-1]k2/(g·mg-1·min-1)R2P21．660．0340．980As0．9700．2490．999

3　結(jié)　論

(1) 鋼渣對(duì)水溶液中磷的吸附受不同條件的影響，隨著鋼渣投加量的增加，磷去除率增加，在磷的初始濃度小于50 mg/L，投加量為0.75 g/100 mL時(shí)，磷去除率可達(dá)99%以上；中性條件有利于鋼渣對(duì)磷的去除，弱酸性下，鋼渣對(duì)磷的去除仍有較好的效果；鋼渣對(duì)磷的吸附符合Langergren準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，吸附主要發(fā)生在2.5 h內(nèi)，5 h即達(dá)到吸附平衡。

(2) 鋼渣對(duì)水溶液中砷的去除受鋼渣投加量、溶液pH、接觸時(shí)間等的影響，鋼渣投加量增加，砷去除率增加，在砷的初始濃度小于10 mg/L，投加量為6 g/100 mL時(shí)，砷去除率可達(dá)99%以上；在pH為9～11的條件下，鋼渣對(duì)砷具有較佳的吸附能力；鋼渣對(duì)砷的吸附符合Langergren準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，吸附主要發(fā)生在0.5 h內(nèi)，12 h達(dá)到吸附平衡，具有“快速吸附、緩慢平衡”的特點(diǎn)。

(3) 鋼渣是一種良好的吸附除磷材料，對(duì)砷也有一定的吸附能力，磷和砷在鋼渣上吸附為競(jìng)爭(zhēng)性吸附。

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