粉煤灰吸附廢水中氨氮的研究

孫菱翎 霍建利 秦佳歡 趙微微 黃欣桐 王克元 張志敏

摘要：本實驗以粉煤灰為吸附劑，探究不同的氨氮初始濃度、粉煤灰用量、pH、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時間下對氨氮吸附率的影響，并研究了其吸附性能.結(jié)論如下：初始氨氮濃度為200mg/L，粉煤灰加入量為4g，pH為9，反應(yīng)溫度為30℃，反應(yīng)時間30min，吸附率達(dá)到68.27%.符合Freundlich型等溫吸附.

關(guān)鍵詞：氨氮廢水;吸附;粉煤灰

中圖分類號：O647.3;X703? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）04-0038-04

引言

近年來，隨著化學(xué)工業(yè)與制造業(yè)等的日益興盛，許多工廠的氨氮廢水排放量不斷增多[1]，使得人們賴以生存的大氣、土壤、淡水等污染越發(fā)嚴(yán)重.除此之外，還包括部分生活污水、汽車尾氣及動物排泄物等也會產(chǎn)生氨氮.氨氮主要以NH3或NH4+的形式存在[2]，氨氮廢水的超量排放使全球環(huán)境污染日趨嚴(yán)重.主要表現(xiàn)在淡水富營養(yǎng)化導(dǎo)致的赤潮方面[3-4].所以，開發(fā)高效的吸附劑以降低廢水中的氨氮是治理環(huán)境污染的重要任務(wù)之一[5].

目前，具有吸附性物質(zhì)很多，包括蒙脫土，活性炭，粉煤灰等等.其中，粉煤灰具有吸附性好，來源方便，價格低廉等的特點[6-13]，我國作為煤炭儲量大國，而且又是生活工業(yè)用煤大國，每年都會產(chǎn)生大量的粉煤灰，如果不及時處理長期堆放，經(jīng)風(fēng)吹散也會造成霧霾等天氣.因此，可以利用粉煤灰作為吸附氨氮廢水中氨氮的吸附劑，變廢為寶、變害為利[14]，解決河流、空氣、土壤中的污染問題[15-16].

本實驗采用赤峰學(xué)院供暖鍋爐房產(chǎn)生的粉煤灰作為吸附劑，在不同條件下吸附廢水中的氨氮.得出較優(yōu)的操作條件（氨氮初始濃度、粉煤灰用量、溫度、pH、反應(yīng)時間），并考查等溫吸附模型.通過氨氮吸附從而更大幅度的降低廢水中氨氮的濃度，減少污染物排放，保護(hù)環(huán)境[17].

1 實驗部分

1.1 實驗步驟

第一步，用氯化銨配制一系列濃度梯度的氨氮廢水，通過分光光度計進(jìn)行測定計算分析，作氨氮濃度與吸光度之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線.

第二步，進(jìn)行因素實驗，研究不同氨氮初始濃度、粉煤灰用量、溫度、pH值、反應(yīng)時間對氨氮吸附的影響.

第三步，通過上述實驗較佳吸附條件，探討粉煤灰對氨氮吸附的等溫吸附性能.

1.2 實驗儀器與試劑

1.2.1 實驗儀器

1.2.2 實驗試劑

1.3 氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

分別配制0、0.1、0.2、0.6、1.0、1.4mg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用液，采用納氏試劑光度法[18]測定其吸光度，得出氨氮濃度與吸光度之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線，如下圖1.氨氮含量與吸光度的關(guān)系是：

y=0.368x+0.031，R2=0.9938? （1—1）

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 初始氨氮濃度對氨氮吸附率的影響

選用pH為9、吸附反應(yīng)時間30min、氨氮吸附劑為5g、溫度為室溫20℃，考查不同初始濃度對氨氮吸附率的影響.

由圖2可知，隨著氨氮初始濃度的增加，氨氮吸附率逐漸減低.這是因為粉煤灰的用量固定，在氨氮濃度增加的情況下，粉煤灰與氨氮接觸機(jī)會降低，使得吸附率降低.當(dāng)氨氮含量達(dá)到200.00mg/L，已經(jīng)吸附廢水中大部分氨氮化合物，降低了廢水中氨氮的濃度，對于一般含較高濃度氨氮的工業(yè)污水與生活污水有了初步的吸附效果.因此，為了方便研究，后續(xù)實驗均采用氨氮初始濃度為200mg/L的廢水進(jìn)行研究.

2.2 反應(yīng)時間對氨氮吸附率的影響

選用氨氮初始濃度為200mg/L，pH為9、氨氮吸附劑為5g、溫度為室溫20℃，考查不同反應(yīng)溫度對氨氮吸附率的影響.

由圖3可以得出，不斷加長攪拌時間，吸附效率剛開始直線上升，攪拌達(dá)到30分鐘以后，吸附效率基本趨于平緩.是因為剛開始大量的粉煤灰可以與廢水中的氨氮充分接觸，快速吸附氨氮，30分鐘以后，粉煤灰對氨氮的吸附基本達(dá)到了飽和.再增加反應(yīng)攪拌時間對氨氮的吸附性所起到的效果不明顯.所以，后續(xù)研究均采用反應(yīng)時間為30分鐘.

2.3 粉煤灰用量對吸附率的影響

選用氨氮初始濃度為200mg/L，pH為9、吸附反應(yīng)時間30min、溫度為室溫20℃，考查不同反應(yīng)用量對氨氮吸附率的影響.

由圖4可以得出，吸附劑投入量的不斷加大，吸附劑對氨氮污水的吸附率開始進(jìn)一步升高，當(dāng)加入吸附劑4g時出現(xiàn)拐點，吸附率上升趨于緩慢.這是因為開始加入少量粉煤灰，與廢水中的氨氮結(jié)合不足，而當(dāng)煤灰量增加后，吸附率迅速增加，而當(dāng)粉煤灰為4g后，氨氮吸附已經(jīng)趨于飽和，進(jìn)一步加大吸附劑的投入量，吸附效果不明顯.所以，后續(xù)實驗采用吸附劑投入量4g.

2.4 pH對吸附效果的影響

選用氨氮初始濃度為200mg/L，氨氮吸附劑為5g、吸附反應(yīng)時間30min、溫度為室溫20℃，考查不同pH對氨氮吸附率的影響.

從圖5可以得出，隨著pH的不斷升高，氨氮吸附率開始緩慢升高后快速降低，pH值為9時，粉煤灰的吸附率達(dá)最大值.這是因為，粉煤灰的吸附能力大的環(huán)境是在偏堿性環(huán)境下的，pH值太大或者太小時，造成粉煤灰與已經(jīng)吸附的氨氮進(jìn)一步解離，進(jìn)而影響吸附能力.因此，選擇較佳的pH值為9.

2.5 反應(yīng)溫度對吸附效果的影響

選用氨氮初始濃度為200mg/L，氨氮吸附劑為5g、吸附反應(yīng)時間30min、pH為9，考查不同反應(yīng)溫度對氨氮吸附率的影響.

由圖6可以得出，隨著反應(yīng)溫度的提高，吸附劑對氨氮吸附率先升高后逐漸降低，當(dāng)反應(yīng)溫度在30℃時，氨氮吸附率達(dá)到最高值.這是因為吸附反應(yīng)易在低溫下進(jìn)行，升溫導(dǎo)致分子熱運動越劇烈，不易與粉煤灰接觸，吸附性下降.因此，較優(yōu)的吸附溫度是30℃.

2.6 吸附等溫線實驗

在不同濃度氨氮廢水中各投入4g吸附劑，pH為9，在30℃的條件下反應(yīng)30分鐘，得出吸附達(dá)到平衡時的最終吸附量及平衡液中氨氮殘留量.采用Langmuir與Freundlich公式[19]其等溫吸附能力.

Langmuir等溫吸附方程：

Freundlich等溫吸附方程：

采用Langmuir公式進(jìn)行作圖，得到的趨勢線如圖7所示，得到方程式為：

1/Q=0.5167*1/C+0.0031，R2=0.9288? （2-3）

同理，采用Freundlich等溫吸附擬合，結(jié)果為圖8，方程式為：

lgQ=0.4955*lgC+1.0659，R2=0.9604? （2-4）

從上述兩幅圖分析可以得出，F(xiàn)reundlich吸附線上的點回歸性相對較好，具有更明顯的線性關(guān)系.因此，粉煤灰吸附性能更吻合Freundlich型吸附.其方程式的系數(shù)為0.4955，且系數(shù)在0.1至0.5的區(qū)間[20]，表示具有吸附能力.所以，粉煤灰作為廢水中氨氮的吸附劑是可行的.

3 結(jié)論

通過采用粉煤灰吸附廢水中的氨氮.得出結(jié)論如下：

（1）實驗通過研究不同氨氮初始濃度、粉煤灰用量、pH值、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度得出了較優(yōu)的反應(yīng)條件，氨氮初始濃度為200mg/L，粉煤灰用量為4g，pH為9，溫度為30℃，反應(yīng)時間為30min，吸附率達(dá)到68.27%;符合Freundlich型等溫吸附.

（2）粉煤灰作為氨氮吸附劑可行，可為此方面的研究提供一定的理論依據(jù)，在減少環(huán)境中氨氮的污染方面有一定的實際作用，在今后的研究中，開發(fā)一些改性的粉煤灰用來提高其吸附性能具有廣闊的前景.

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