粒徑對高吸水樹脂的氨氮吸附特性影響1)

甄倩 王百田 郭利軍

(北京林業(yè)大學，北京，100083)

氨氮是水體中的耗氧物質，也是造成環(huán)境污染和水體富營養(yǎng)化的重要原因。進入水體中的氨氮會使水生動物與植物異常繁殖，導致水體溶解氧降低、水體變壞、魚類及其它水生生物死亡；氨氮會通過食物鏈進入人體而合成亞硝基化合物，對人類健康造成嚴重危害[1]；未經(jīng)處理的氨氮排入環(huán)境會導致生態(tài)環(huán)境破壞，造成巨大的經(jīng)濟損失。去除水體中氨氮的方法多種多樣，主要有離子交換法[2]、生物法[3]和吸附法[4]等。吸附法因為操作簡單、效果穩(wěn)定和成本低等而被作為去除水體中氨氮的有效方法。然而，污水主要的吸附劑氧化鋁等的使用可能會引入一些有害有毒物質，限制了其廣泛應用。

聚丙烯酰胺型高吸水樹脂(SAP)是一種含有羧基、羥基等官能團的強吸附能力的高吸水性樹脂，廣泛應用到農(nóng)業(yè)、林業(yè)、醫(yī)學、園藝等方面，具有吸附率高、吸附量大、施壓不脫水、保水能力強等特點，得到了國內(nèi)外廣泛應用[5-6]。此外，高吸水樹脂進行溶脹吸液和分子成鍵吸水同時，其高分子鏈上的官能團對重金屬離子等有較高的螯合率，目前高吸水樹脂對于重金屬離子的去除效果研究較多，謝建軍等[7]研究表明PAMPS高吸水性樹脂對Pb+有很好的選擇吸附性，但對其在污水中氨氮的吸附研究相對較少，而吸附氨氮飽和后的高吸水樹脂還可以土壤還田，具有節(jié)肥、提高土壤肥力和改良土壤的作用。此外，已有研究者證明高吸水樹脂的粒徑、pH值、初始溶液濃度等對其吸附性能有重要影響[8-9]。而關于粒徑對其吸附性能的研究，不同研究者持有不同觀點，李楊等[10]認為較小粒徑高吸水樹脂吸附性能優(yōu)于較大粒徑，張建剛等[11]認為不同粒徑對高吸水樹脂吸附性能影響不大，而魏琛琛等[12]認為較大粒徑高吸水樹脂的吸附性能最好。

1 材料與方法

1.1 材料

高吸水樹脂：交聯(lián)聚丙烯酰胺型高吸水樹脂，呈白色晶體，有效成分100%，分別選用0.85 mm

藥品：分析純NH4Cl。

1.2 方法

試驗用NH4Cl溶液模擬富營養(yǎng)化的污水，由分析純NH4Cl分別配制得到。在本實驗中，NH4Cl質量濃度分別設置為0、2.5、3.8、5、7.5、8.5、10 mg·L-1；靜置時間分別設置為10、30 min和1、2、3、5、11、24、34、36 h；高吸水樹脂用量分別為0.3、0.5、0.8，每個處理重復3次。

傅里葉紅外光譜分析：高吸水樹脂凝膠由Labconco FrwwZone 4.5型冷凍干燥系統(tǒng)冷凍后，將其放入傅里葉紅外光譜儀Nicolet iN10掃描測定，掃描波數(shù)范圍4 000～500 cm-1。

1.3 分析及計算方法

高吸水樹脂對NH4Cl溶液的吸附量Q(mg·g-1)、去除率R(%)和吸附速率v(mg·g-1·h-1)計算方法如下：

Q=(C0V0-C1V1)/m；

R=(C0-C1)/C0×100%；

v=ΔQ/t。

式中：C0為原溶液濃度(mg·L-1)；V0為加入溶液體積(L)；C1為加入溶液過濾后濾液濃度(mg·L-1)；V1為加入溶液過濾后濾液體積(L);m為加入溶液前的高吸水樹脂質量(g)；ΔQ為一定時間內(nèi)的吸附量。所有測定均在室溫下進行。

利用IBM SPSS 25進行方差分析與多重比較，Origin 9.1進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理吸附量的動態(tài)變化

所不同的是與小粒徑M、L相比，較大粒徑L1、L2高吸水樹脂吸附量呈緩慢上升趨勢，其吸附平衡時間相對較長，達到平衡時最大吸附量也較高。這可能是由于較小粒徑的高吸水樹脂在切割過程中受到了剪切應力的作用致使交聯(lián)結構遭到破壞，因此平衡吸附量低于較大粒徑；且小粒徑由于比表面積大而瞬間吸附膨脹，因而在初始階段吸附量上升較快且高于較大粒徑。

1/qt=(k1/qe1)×1/t+1/qe1；

(1)

(2)

qt=k3t0.5+c。

(3)

式中：qt為t時刻的吸附量(mg·g-1)；qe1與qe2分別為吸附平衡時的吸附量(mg·g-1)；k1與k2分別為準一級動力學常數(shù)和準二級動力學常數(shù)(g·mg-1·h-1)；k3為顆粒內(nèi)擴散速率常數(shù)(mg·kg-1·min-1/2)；c為截距。

通過顆粒內(nèi)擴散方程進一步分析高吸水樹脂擴散機制。顆粒內(nèi)擴散方程表明若吸附量qt與吸附時間t0.5所擬合直線過原點，則顆粒內(nèi)擴散是限制吸附速率的唯一因素。反之，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合分析，在吸附過程的3個階段中慢吸附階段所擬合直線未通過原點，說明顆粒內(nèi)擴散并非控制吸附速率的唯一因素，吸附過程還可能受到其他因素的控制。

表吸附動力學曲線擬合參數(shù)

表2 高吸水樹脂在不同質量濃度溶液中吸附平衡時的吸附量

2.2 初始質量濃度對吸附量的影響

吸附等溫線可用于描述化學物質在固相和液相之間的相互作用，利用Langmuir等溫吸附模型(4)與Freundlich等溫吸附模型(5)進行擬合，擬合公式如下：

C/Q=C/Qmax+1/KLQmax；

(4)

lnQ=ln(Kf)+ln(C)/n。

(5)

表等溫吸附方程擬合參數(shù)

2.3 高吸水樹脂對吸附性能的影響

2.4 SAP吸附前后結構表征

3 結論

粒徑大小對吸附平衡時的吸附量有顯著影響(P<0.05)，較大粒徑比小粒徑的高吸水樹脂能吸附更多的氨氮。其中粒徑4 mm

隨著高吸水樹脂用量增加，4種粒徑高吸水樹脂氨氮去除率均提高，而單位吸附量減少，即隨著用量的增加吸附效率是降低的，因此高吸水樹脂對氨氮的合理用量要綜合考慮去除率、吸附量和成本等因素來確定。在實驗的2.5～7.5 mg·L-1氨氮質量濃度范圍內(nèi)，吸水樹脂的適宜用量為2 g·L-1。