提純硅藻土對(duì)廢水中磷的吸附

張開永，黃 玲

(華北科技學(xué)院，河北 三河 065201)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和各種工業(yè)企業(yè)排放的污水增多以及各種含磷肥料的使用，磷對(duì)環(huán)境的危害日益嚴(yán)重，尤其是對(duì)水的污染日益突出。傳統(tǒng)的除磷工藝如化學(xué)法容易造成二次污染，成本也比較高，生物除磷則存在污泥處理放置難的問題。吸附是除磷的優(yōu)選方法，吸附材料的選擇很關(guān)鍵[1-2]。

由于硅藻土獨(dú)特的微孔結(jié)構(gòu)，利用其吸附性能來(lái)處理廢水不僅可以降低成本，而且還可以更有效地利用礦產(chǎn)資源[3]。硅藻土在我國(guó)雖然儲(chǔ)量較大，但由于我國(guó)硅藻土的品位普遍較低，其應(yīng)用領(lǐng)域受到一定限制，造成了我國(guó)硅藻土資源的利用與環(huán)境之間的脫節(jié)，需要進(jìn)行加工提純后才能進(jìn)行應(yīng)用。目前硅藻土作為吸附劑處理廢水主要是采用改性后的硅藻土進(jìn)行廢水處理[4-9]。但因改性硅藻土廢水處理還是一項(xiàng)較新的技術(shù)，各方面還不完善，需要加強(qiáng)理論和工程實(shí)踐上的進(jìn)一步探索研究[10]。因此選擇提純后的硅藻土對(duì)磷素的降解研究具有一定的理論意義，既能解決目前水處理工藝存在的問題，又能節(jié)約資源，充分而有效地利用硅藻土資源，達(dá)到雙贏的目的。本研究的實(shí)驗(yàn)水樣選擇濃度為2mg/L，它是針對(duì)實(shí)際中二級(jí)污水處理廠排出的污水磷含量而設(shè)計(jì)的，便于解決二級(jí)污水處理廠的出水磷達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)問題。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

硅藻土樣品是經(jīng)過擦洗、過篩和沉降后提純加工的樣品，其化學(xué)組成成分如表1所示。

表1 硅藻土化學(xué)成分表/%

1.2 實(shí)驗(yàn)水樣

生活污水經(jīng)過管網(wǎng)收集進(jìn)入處理裝置前，其中磷元素已經(jīng)大部分轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷，而且二級(jí)處理出水中磷元素基本以無(wú)機(jī)磷的形式存在，故本試驗(yàn)所用模擬含磷廢水使用磷酸二氫鉀與蒸餾水配制配制，配制溶液濃度為2mg/L，對(duì)應(yīng)于二級(jí)污水處理廠出水磷濃度。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

儀器：恒溫水浴振蕩器、可見分光光度計(jì)、電子天平、離心機(jī)、電熱鼓風(fēng)干燥箱、pH計(jì)。

試劑：氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、抗壞血酸、鉬酸銨、磷酸二氫鉀、酒石酸鏑氧鉀。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

取數(shù)支50mL具塞比色管，分別加入磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)使用液0mL、0.5mL、1.00mL、3.00mL、5.00mL、10.0mL、15.0mL，加水至50mL。向比色管中加入1mL10%抗壞血酸溶液，混勻。30s后加2mL鉬酸鹽溶液充分混勻，放置15min。然后用10mm或30mm比色皿，于700nm波長(zhǎng)處，以零濃度溶液為參比，測(cè)量吸光度。

C=m/V

式中：m為式樣測(cè)得含磷量，ug；V為測(cè)定用式樣體積，mL。

2 結(jié)果及討論

2.1 吸附劑量的確定

分別取8份50mL濃度為2mg/L的磷標(biāo)準(zhǔn)使用液于錐形瓶中，稱取經(jīng)烘干的硅藻土0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g、3.5g、4.0g，分別加入錐形瓶中混合。放在恒溫水浴振蕩器上震蕩30min，溫度為室溫，震蕩速率穩(wěn)定。震蕩完畢取出離心，離心轉(zhuǎn)速3000r/min，離心時(shí)間2min，取上清液10mL置于50mL比色管中，加水至標(biāo)線測(cè)定吸光度。硅藻土用量與磷去除率關(guān)系如圖1所示。

圖1 硅藻土用量與磷去除關(guān)系

由圖1可知，當(dāng)加入的硅藻土少于3.5g時(shí)，吸附量隨著硅藻土的量的增大而增大。硅藻土用量為3.5g時(shí)，吸附基本達(dá)到平衡，硅藻土對(duì)磷的吸附達(dá)到93.9%。當(dāng)加入的硅藻土大于3.5g時(shí)，吸附量沒有明顯的變化，這說(shuō)明0.1mg磷大約對(duì)應(yīng)需要3.5g硅藻土來(lái)吸附降解，在實(shí)際中可根據(jù)水體的含磷量確定硅藻土的投加量。

2.2 pH值的確定

分別取6份50mL濃度為2ug/mL的磷標(biāo)準(zhǔn)使用液于錐形瓶中，用0.1mol/L的HCl和NaOH調(diào)節(jié)pH值為2.5、4.0、6.0、8.1、10.8、12.5。每份加入3.5g烘干的硅藻土并且混勻，放在恒溫水浴振蕩器上震蕩30min，溫度為室溫，震蕩速率穩(wěn)定。同樣震蕩完畢后取出離心，離心轉(zhuǎn)速3000r/min，離心時(shí)間2min，取上清液10mL置于50mL比色管中，加水至標(biāo)線測(cè)定吸光度。pH與磷去除率關(guān)系如圖2所示。

圖2 pH與磷去除關(guān)系

由圖2可知，pH值越小對(duì)吸附越有利，當(dāng)pH為2.5時(shí)，硅藻土對(duì)磷素的吸附降解去除率可達(dá)98.1%，硅藻土對(duì)磷素的吸附降解對(duì)應(yīng)最佳pH值為3.0左右。當(dāng)pH值依次增大時(shí)，吸附量依次減少，當(dāng)溶液呈堿性時(shí)吸附量明顯下降，去除率達(dá)不到50%。說(shuō)明pH值對(duì)吸附的影響很大。此次試驗(yàn)結(jié)果與一般吸附試驗(yàn)pH對(duì)吸附的影響效果相反，可能與吸附劑本身的性質(zhì)有關(guān)。

2.3 吸附時(shí)間

分別取7份50mL濃度為2ug/mL的磷標(biāo)準(zhǔn)使用液于錐形瓶中，用0.1mol/L的HCl和NaOH調(diào)節(jié)pH值為3.0左右。每份加入3.5g烘干的硅藻土并且混勻。分別放在水浴恒溫振蕩器上震蕩5min、10min、15min、20min、25min、30min、40min。震蕩完畢取出離心，3000r/min離心2min，取上清液10mL于50mL比色管中，加水至標(biāo)線測(cè)定吸光度。吸附時(shí)間與磷去除率的關(guān)系見圖3。

圖3 吸附時(shí)間與磷去除率的關(guān)系

由圖3可知，當(dāng)時(shí)間小于20min時(shí)吸附量不斷增加，當(dāng)時(shí)間大于20min時(shí)吸附量變化不大，但有所減少。硅藻土對(duì)磷素的吸附降解最佳時(shí)間為20min。這說(shuō)明當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到20min時(shí)，吸附基本已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。時(shí)間超過20min吸附量不會(huì)隨時(shí)間增大，反而震蕩等會(huì)讓原本被吸附的磷素釋放出來(lái)。實(shí)際處理過程中要嚴(yán)格吸附時(shí)間，使吸附效果達(dá)到最佳。

2.4 吸附溫度

分別取7份50mL濃度為2ug/mL的磷標(biāo)準(zhǔn)使用液于錐形瓶中，用0.1mol/L的鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值為3.0左右.每份加入3.5g烘干的硅藻土混勻。分別設(shè)置水浴恒溫振蕩器溫度為0℃、10℃、20℃、25℃、30℃、40℃、50℃，依次震蕩30min。震蕩完畢取出離心，3000r/min離心2min，取上清液10mL于50mL比色管中，加水至標(biāo)線測(cè)定吸光度。吸附溫度與磷去除率的關(guān)系見圖4。

圖4 吸附溫度與磷去除率的關(guān)系

由圖4可知，在0～50℃范圍內(nèi)溫度變化對(duì)吸附效果的影響存在差異，但是差異不大。這說(shuō)明溫度對(duì)整個(gè)吸附的過程的影響相對(duì)于其他因素來(lái)講不大。硅藻土對(duì)磷素的吸附降解對(duì)應(yīng)最佳溫度為25℃。低于或高于25℃效果稍差。溫度太低或太高可能會(huì)導(dǎo)致硅藻土性質(zhì)發(fā)生變化，實(shí)際中可在常溫下進(jìn)行吸附。

2.5 降解等溫吸附曲線

利用50mg/L的磷酸鹽儲(chǔ)備液分別配置濃度為5.0mg/L、8.0mg/L、10.0mg/L、13.0mg/L、15.0mg/L、17.0mg/L、20.0mg/L的磷酸鹽溶液。各取50mL不同濃度的溶液放入錐形瓶中，用0.1mol/L的HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為3.0左右，各加入3.5g烘干的硅藻土混勻。放在溫度設(shè)置為25℃的水域恒溫振蕩器上振蕩20min。震蕩完畢取出離心，3000r/min離心2min，取上清液10mL于50mL比色管中，加水至標(biāo)線測(cè)定吸光度。

用Freundlich方程擬合，結(jié)果見圖5。

圖5 Freundlich方程擬合曲線

由圖5可知，該曲線擬合后R2=0.7736，1/n為1.4362，即n=0.6962。n處于0.5～2時(shí)吸附劑對(duì)吸附質(zhì)較易吸附，小于0.5時(shí)容易吸附，大于2時(shí)較難吸附。n=0.6962說(shuō)明硅藻土對(duì)磷的吸附在強(qiáng)度上屬于較易吸附。lnK=-3.2229，K=0.04，K值偏小，說(shuō)明吸附容量受濃度的影響較大。實(shí)際中，可以在處理前適當(dāng)調(diào)節(jié)污水的磷濃度，然后再進(jìn)行硅藻土吸附處理。

3 結(jié)論

通過硅藻土對(duì)磷素吸附降解試驗(yàn)反復(fù)的研究和分析，可以得到以下結(jié)論。

1)吸附最佳硅藻土用量為3.5g硅藻土/0.1mg磷。每0.1mg磷加入的硅藻土為3.5g時(shí)，吸附效果在平衡時(shí)較好。

2)吸附過程的最佳pH值控制在3.0左右，pH值越大對(duì)吸附越不利。

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明吸附時(shí)間控制在25min左右吸附可基本達(dá)到平衡狀態(tài)。

4)吸附過程的溫度控制在25℃為最佳。如果實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的溫度不是很低，可以在室溫條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

5)硅藻土對(duì)磷素的降解吸附符合Freundlich方程的等溫吸附曲線。在硅藻土用量不變的情況下，吸附量隨著磷溶液濃度的增大而增大。硅藻土對(duì)磷素吸附屬于交易吸附。

[1] 劉轉(zhuǎn)年,金奇庭,周安寧.廢水的吸附法處理[J].水處理技術(shù),2003,29(6):318-322.

[2] Crini G. Recent developments in polysaccharide-based materials used as adsorbents in wastewater treatment[J]. Prog.Polym.Sci, 2005(30):38-70.

[3] 杜玉成，張紅.某低品位硅藻土提純及作為污水處理劑的改性研究[J].非金屬礦，2001,24(1):44-45.

[4] 于漧,包亞芳.硅藻土在污水處理中的應(yīng)用[J].云南環(huán)境科學(xué),2003,22(1):56-59.

[5] 彭書傳.硅藻土復(fù)合凈水劑處理印染廢水[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),1998(1):24-25.

[6] 鄭水林,王慶中.改性硅藻土在污水處理中的應(yīng)用[J].非金屬礦,2000,24(4):36-37.

[7] 王亮,張宏偉,李霞.改性硅藻土/生物濾池處理城鎮(zhèn)污水[J].中國(guó)給水排水,2005,21(11):89-90.

[8] 蔣小紅,曹達(dá)文,周恭明.改性硅藻土處理城市污水技術(shù)的可行性研究[J].上海環(huán)境科學(xué),2003,22(12):983-986.

[9] 楊宇翔,張亞匡,吳介達(dá)，等.硅藻土脫色機(jī)理及其在印染廢水中應(yīng)用的研究[J].工業(yè)水處理,1999,19(1):15-17.

[10] 劉自蓮，李鵬，施永生，等.硅藻土改性及其在廢水處理中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].工業(yè)用水與廢水，2010,41(4):5-8.