殼聚糖改性沸石分子篩去除硝酸鹽氮機(jī)理研究

張 黎,金小琳,劉新澤,郜玉楠

(1.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;2.丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 丹東 118000;3.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,廣東 佛山 528000)

1 試 驗(yàn)

1.1 原水配制

采用KNO3配置含硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為28～30 mg/L的試驗(yàn)原水,并用0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)試驗(yàn)原水的pH值為6.9～7.2。

1.2 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)中所用沸石分子篩、殼聚糖、乙酸、硝酸鉀、鹽酸、氫氧化鈉等材料均為分析純,過濾介質(zhì)材料為鵝卵石。主要儀器見表1。

表1 試驗(yàn)主要儀器Table 1 Experimental instruments

1.3 試驗(yàn)裝置

圖1為模擬工業(yè)濾池運(yùn)行的試驗(yàn)裝置圖。使用高度為1 000 mm,內(nèi)徑為 25 mm的有機(jī)玻璃柱模擬除硝酸鹽氮濾池。玻璃柱頂端設(shè)溢流口,底端設(shè)出水口,裝置底部填入高度為50 mm的承托層,承托層采用粒徑為5.0～6.0 mm的鵝卵石,濾層采用制備的殼聚糖改性沸石分子篩,同時(shí)在濾層上方設(shè)置高為150 mm 浸入水位。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Test device diagram

1.4 殼聚糖改性沸石分子篩的制備

將沸石分子篩用去離子水清洗干凈后,置于真空干燥箱中,在溫度105 ℃下干燥2 h后取出。分別配置體積分?jǐn)?shù)為4%的乙酸溶液與7 g /L的殼聚糖溶液,將兩者按相應(yīng)比例溶解后獲得殼聚糖乙酸溶液。在制得溶液中加入20 g沸石分子篩,放入振蕩器中以30 ℃恒溫、130 r/min振蕩10 h,使其充分融合后取出,用去離子水不斷沖洗直至中性,然后置于60 ℃的真空干燥箱中12 h,即得到殼聚糖改性沸石分子篩[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳動(dòng)態(tài)過濾參數(shù)

2.1.1 濾層高度

圖2為室溫條件下,pH值為7,濾速為4 m/h,原水硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為30 mg/L時(shí),控制濾層高度分別為300 mm,500 mm和700 mm時(shí)硝酸鹽氮的去除率。

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

2.1.2 濾 速

圖3 濾速對(duì)硝酸鹽氮去除效果的影響Fig.3 Effect of filtration rate on removal

2.2 各影響因素對(duì)去除效果的影響

2.2.1 溫 度

圖4表示在pH值為7,濾層高度為700 mm,濾速為4 m/h,原水硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為30 mg/L時(shí),不同溫度下硝酸鹽氮的去除率。相同時(shí)間對(duì)比下,溫度為30 ℃時(shí)的硝酸鹽氮去除率始終最大,20 ℃時(shí)次之,10 ℃時(shí)最小。這表明溫度升高對(duì)吸附反應(yīng)有促進(jìn)作用,因?yàn)闅ぞ厶歉男苑惺肿雍Y吸附硝酸鹽氮是吸熱反應(yīng),其吸附硝酸鹽氮的能力隨著溫度的升高而增強(qiáng)。因此,確定最佳溫度為30 ℃。

圖4 溫度對(duì)硝酸鹽氮去除效果的影響Fig.4 Effect of temperature on removal

2.2.2 pH值

圖5為在室溫、原水質(zhì)量濃度為30 mg/L、濾層高度及濾速最優(yōu)條件下,不同原水pH值下吸附硝酸鹽氮效果。由圖可知,隨著原水pH值減小,殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)硝酸鹽氮的去除率逐漸提高,過濾效果更好。因?yàn)樗袣潆x子濃度提高,可以使吸附劑帶有更多的正電荷,從而易于發(fā)生氨基質(zhì)子化,同時(shí)溶液中硝酸根離子通過靜電引力被吸附,增加了過濾能力。pH逐漸增大后,溶液中-OH不斷增多,導(dǎo)致吸附劑表面攜帶一部分負(fù)電荷,引發(fā)電荷間互斥作用,進(jìn)而減小去除率。因此,最佳pH為4.5～5.0。

圖5 pH值對(duì)硝酸鹽氮去除效果的影響Fig.5 Effect of pH value on removal

2.3 Thomas模型驗(yàn)證

采用Thomas動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,Thomas吸附動(dòng)力學(xué)模型一般用于裝置動(dòng)態(tài)吸附曲線的繪制,且可以得出吸附劑吸附的飽和容量及速率常數(shù)[13-16]。

指數(shù)表達(dá)式:

(1)

線性表達(dá)式:

(2)

圖6 Thomas模型線性擬合Fig.6 Thomas model linear fitting

由擬合系數(shù)R2=0.973 6可知,殼聚糖改性沸石分子篩吸附硝酸鹽氮的過程與Thomas吸附動(dòng)力學(xué)模型有較好的擬合[17],因此殼聚糖改性沸石分子篩對(duì)硝酸鹽氮的吸附過程遵循Thomas動(dòng)力學(xué)模型。經(jīng)計(jì)算得到吸附劑對(duì)硝酸鹽氮的飽和吸附量q0=0.103 mg/g。

2.4 過濾機(jī)理

2.4.1 SEM表征

圖7為硝酸鹽氮過濾前后殼聚糖改性沸石分子篩的形貌特征。吸附劑表面由規(guī)則的立方晶體組成,符合NaA型沸石的形貌[8]。根據(jù)BET檢測(cè)結(jié)果,吸附劑的比表面積、平均孔徑和孔體積分別為20.782 m2/g、3.56 nm、0.097 cm3/g。硝酸鹽氮過濾后的吸附劑,原有孔洞被充分占據(jù),表面原有的凹凸結(jié)構(gòu)大量減少。

圖7 殼聚糖改性沸石分子篩的SEM表征圖Fig.7 SEM characterization diagram of chitosan modified zeolite molecular sieve

2.4.2 EDS分析

表2為殼聚糖改性沸石分子篩過濾前后各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表2 過濾前后元素組成對(duì)比Table 2 Comparison of element composition before and after filtration %

2.4.3 FTIR分析

圖8 紅外光譜圖Fig.8 Infrared spectrum

2.4.4 吸附機(jī)理分析

圖9 吸附機(jī)理圖Fig.9 Adsorption mechanism diagram

3 結(jié) 論

(2)殼聚糖改性沸石分子篩吸附硝酸鹽氮過程遵循Thomas動(dòng)力學(xué)模型,飽和吸附量為0.103 mg/g。