殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的動(dòng)態(tài)吸附研究

郜玉楠,李懋鋒,包順宇,劉佳琦

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168)

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原水

以東北地下水污染現(xiàn)狀為依據(jù),試驗(yàn)以氯化銨與蒸餾水配置成質(zhì)量濃度為5 mg/L的氨氮原水,原水中僅氨氮超過(guò)我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006),水中無(wú)其他影響污染物。

1.2 試驗(yàn)材料與儀器

主要試驗(yàn)材料有沸石分子篩、殼聚糖(脫乙酰度大于90%)、鵝卵石、乙酸、鹽酸、氫氧化鈉,以上化學(xué)試劑均為分析純。

試驗(yàn)儀器主要有真空干燥箱(LVO—6210);掃描電子顯微鏡(S4800);數(shù)顯控濕磁力損器(85-2)；紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(752)；蠕動(dòng)泵(YZ1515X)。

試驗(yàn)采用高為1 000 mm,內(nèi)徑為 250 mm,上端設(shè)溢流口,下端設(shè)出水口的有機(jī)玻璃柱模擬除氨氮濾池。試驗(yàn)裝置如圖 1 所示。

圖1 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Dynamic test device diagram

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 殼聚糖改性沸石分子篩的制備

稱(chēng)取沸石分子篩用去離子水洗滌干凈,放入105 ℃的真空干燥器中干燥2 h,取出備用;稱(chēng)取一定量的沸石分子篩放入100 mL乙酸濃度為2%,殼聚糖質(zhì)量濃度為5 g/L的殼聚糖乙酸凝膠中,置于磁力攪拌器上攪拌10 h,取出放入60 ℃的干燥器中干燥12 h,即制得殼聚糖改性沸石分子篩[12]。

1.3.2 殼聚糖改性沸石分子篩過(guò)濾除氨氮試驗(yàn)

將制備好的殼聚糖改性沸石分子篩裝填到如圖1所示的有機(jī)玻璃柱內(nèi),有機(jī)玻璃柱底部裝填50 mm,粒徑為 5.0～6.0 mm 的鵝卵石作為承托層,裝填一定高度的殼聚糖改性沸石分子篩,濾層以上預(yù)留淹沒(méi)水位150 mm。水箱內(nèi)含氨氮原水質(zhì)量濃度為5 mg/L,含氨氮原水經(jīng)由蠕動(dòng)泵以一定速度流入濾柱,通過(guò)出口設(shè)置的蠕動(dòng)泵改變?yōu)V柱的濾速。

1.3.3 氨氮質(zhì)量濃度的測(cè)定

采用納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮質(zhì)量濃度,氨氮的去除率為

(1)

式中:R為氨氮的去除率,%;C0為氨氮初始質(zhì)量濃度,mg/L;Ct為氨氮t時(shí)刻質(zhì)量濃度,mg/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.1.1 濾層高度

在室溫、pH值為7、濾速為4 m/h、氨氮原水質(zhì)量濃度為5 mg/L的條件下,設(shè)置濾層高度分別為10 cm、30 cm、50 cm和70 cm,殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的去除效果如圖2所示。

圖2 濾層高度對(duì)去除效果的影響Fig.2 Effect of filter height on removal efficiency

由圖2可知,在不同濾層高度條件下,殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的去除率隨著過(guò)濾時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降,但在過(guò)濾的整個(gè)過(guò)程中濾層高度為70 cm的殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的去除率始終優(yōu)于濾層高度為10 cm、30 cm、50 cm的去除率。濾層高度為70 cm時(shí),對(duì)氨氮的去除效果最好,可達(dá)到93.41%;濾層高度為10 cm時(shí),對(duì)氨氮的去除率最低為17.48%。由此可見(jiàn),濾層高度對(duì)氨氮的去除效果起到至關(guān)重要的作用,濾層高度在70 cm時(shí),濾料的數(shù)量相對(duì)較多,殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)于氨氮吸附位點(diǎn)相對(duì)較多,對(duì)氨氮的去除率較高。因此確定濾層高度為70 cm。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)過(guò)濾效果逐漸下降,這是因?yàn)檫^(guò)濾時(shí)水流過(guò)濾料層必然產(chǎn)生水頭損失,隨著過(guò)濾時(shí)間的增加,濾層所截留的雜質(zhì)增多,使得濾層逐漸的阻塞,這樣減小了孔隙率,增大了水頭損失導(dǎo)致了去除率降低[13]。

2.1.2 濾 速

在室溫、pH值為7、濾層高度為70 cm、氨氮原水質(zhì)量濃度為5 mg/L的條件下,調(diào)節(jié)出口設(shè)置的蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速控制濾速分別為2 m/h、4 m/h和6 m/h,氨氮的去除效果如圖3所示。

由圖3可知,不同濾速條件下的殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的去除率隨著過(guò)濾時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷下降,過(guò)濾開(kāi)始60 min后,濾速為2 m/h和4 m/h的殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的去除效果最好,并且去除率相近,分別為95.42%,93.41%,但當(dāng)濾速為2 m/h時(shí)始終略?xún)?yōu)于濾速為4 m/h的過(guò)濾出水,二者過(guò)濾效果明顯優(yōu)于6 m/h的過(guò)濾出水。進(jìn)行到420 min時(shí),去除率分別下降到66.48%、59.46%和40.96%。由此可得濾速對(duì)氨氮的過(guò)濾效果有較大的影響,濾速減慢,水中的氨氮可以和殼聚糖改性沸石分子篩表面得到充分的接觸,原本來(lái)不及擴(kuò)散到殼聚糖改性沸石分子篩表面空隙中的氨氮就擴(kuò)散到殼聚糖改性沸石分子篩表面乃至內(nèi)部孔隙中,大大加強(qiáng)了殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的吸附作用。但結(jié)合實(shí)際情況,考慮到濾速為2 m/h時(shí),過(guò)濾水量較少,效率并不高,而濾速為4 m/h時(shí),殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的過(guò)濾效果與2 m/h近似相等,因此選擇過(guò)濾濾速為4 m/h。

2.2 不同影響因素對(duì)去除氨氮的影響

2.2.1 溫度的影響

在pH值為7,濾層高度為70 cm,濾速為4 m/h,氨氮原水質(zhì)量濃度為5 mg/L的條件下,控制溫度分別為10 ℃、20 ℃和30 ℃,探究溫度對(duì)氨氮的去除效果影響如圖4所示。

圖4 溫度對(duì)氨氮去除率的影響

由圖4可知,不同溫度條件下殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的去除率隨著過(guò)濾時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降,但在過(guò)濾的整個(gè)過(guò)程中溫度為30 ℃時(shí),殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的去除率始終優(yōu)于溫度為10 ℃和20 ℃的過(guò)濾出水,隨著溫度的升高,殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的去除效果逐漸增加,這是因?yàn)槲竭^(guò)程為吸熱反應(yīng),隨著溫度的升高,增加了去除氨氮的效果,由此可知溫度的升高有利于殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的吸附。

2.2.2 pH值的影響

在室溫、濾層高度為70 cm、濾速為4 m/h、氨氮原水質(zhì)量濃度為5 mg/L的條件下,原水pH值分別調(diào)至6.5、7.5和8.5,殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的去除效果如圖5所示。

圖5 pH值對(duì)氨氮去除率的影響

2.2.3 原水質(zhì)量濃度的影響

在室溫、pH值為7、濾層高度為70 cm、濾速為4 m/h的條件下,控制原水質(zhì)量濃度分別為3 mg/L、5 mg/L和7 mg/L,殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的去除效果如圖6所示。

圖6 原水質(zhì)量濃度對(duì)氨氮去除率的影響

由圖6可知,不同原水質(zhì)量濃度條件下殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的去除率隨著過(guò)濾時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降,但在過(guò)濾的整個(gè)過(guò)程中原水質(zhì)量濃度為7 mg/L的殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)氨氮的去除率始終優(yōu)于原水質(zhì)量濃度為3 mg/L和5 mg/L的過(guò)濾出水;這是因?yàn)殡S著原水質(zhì)量濃度的增大,較高濃度能夠作為驅(qū)動(dòng)力,克服溶液和吸附劑表面的阻力,因而使氨氮的去除率增大。

2.3 SEM分析

分別對(duì)沸石分子篩、殼聚糖改性沸石分子篩、過(guò)濾吸附氨氮的殼聚糖改性沸石分子篩進(jìn)行SEM表征,然后分析其表面形貌，SEM圖像如圖7所示。

圖7 SEM圖像Fig.7 SEM image

從圖7可知,沸石分子篩的SEM圖像(見(jiàn)圖7(a))表面可觀察到形狀規(guī)則、均勻分散的立方晶體,有一定數(shù)量孔洞,孔徑較大。圖7(b)中可觀察到材料表面粗糙,有較明顯的輪廓和脈絡(luò),整體呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這是由于殼聚糖負(fù)載到沸石分子篩表面和孔隙上,凹凸結(jié)構(gòu)增多,微孔的數(shù)量增加,由此可知?dú)ぞ厶浅晒Φ呢?fù)載到沸石分子篩上,增強(qiáng)對(duì)氨氮的吸附作用[15-16]。圖7(c)中可以看出,吸附氨氮后其表面原有的脈絡(luò)和凹凸結(jié)構(gòu)均消失,原有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)較多雜質(zhì),孔徑也被占滿(mǎn),說(shuō)明殼聚糖改性沸石分子篩成功吸附了水中的氨氮。

3 結(jié) 論

(1)確定殼聚糖改性沸石分子篩過(guò)濾的最佳工藝參數(shù)為濾層高度為70 cm,濾速為4 m/h。

(2)通過(guò)對(duì)殼聚糖改性沸石分子篩過(guò)濾影響因素的研究,得出溫度為30 ℃時(shí),對(duì)氨氮的去除效果最好可達(dá)到97.31%;pH值為6.5時(shí),對(duì)氨氮的去除率最高為96.98%;原水質(zhì)量濃度為7 mg/L時(shí),對(duì)氨氮的去除效果最好可達(dá)到97.1%。

(3)殼聚糖改性沸石分子篩表面出現(xiàn)表面粗糙,且凹凸不平,過(guò)濾后殼聚糖改性沸石分子篩表面出現(xiàn)較多雜質(zhì)。該新型吸附顆?？勺鳛闉V料用于水廠的提標(biāo)改造。