铈铁吸附剂的制备及其吸附水中磷的性能研究

王莉红

(云南大学材料科学与工程系,云南昆明 650091)

稀土元素具有许多其他元素所不具有的特殊性质[1-2]。近年来,人们对络合物型溶胶-凝胶过程产生了浓厚兴趣,此法可以把金属离子均匀地分布在凝胶中,得到纯度高、粒径小、分散性好、成分均匀的纳米粒子。用柠檬酸为配体可以制备比表面积较大的钙钛矿型复合氧化物 LaFeO3等[3];用柠檬酸盐溶液乙醇脱水法可以制备PLZT粉末[4]或合成La-Mo系列二元复合氧化物催化剂[5]。试验采用柠檬酸法制备Ce-Fe-O复合氧化物吸附剂,并研究了它对水中磷的吸附性能。

1 试验部分

1.1 试剂和仪器

试验所用试剂有:碳酸铈(Ce(CO3)2),硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O),上海南汇彭镇营房化工厂产品;硝酸(HNO3),汕头市达濠区精细化学品有限公司产品;氨水(NH3·H2O),柠檬酸(C6H8O7·H2O),无水乙醇(C2H5OH),广州化学试剂二厂产品;蒸馏水。

除特殊说明外,所有试剂均为分析纯。

试验所用设备有:TG-328B型电光分析天平(上海精密科学仪器有限公司),721分光光度计, p Hs-3C型精密p H计,JJ-78-1型搅拌器,电热鼓风干燥箱,RJM-2.8-10型茂福炉,800型离心沉淀器(上海手术器械厂)。

1.2 Ce-Fe-O复合氧化物吸附剂的制备

称取一定量碳酸铈,加入5 mol/L硝酸至完全溶解,再加入2 mol/L氨水使之产生沉淀,离心水洗后加入稀硝酸,于60℃水浴加热至形成淡黄色CeO2水溶胶。另将一定量Fe(NO3)3·9H2O溶于水,加入无水乙醇和0.5 mL浓硝酸,在所得溶液中加入适量柠檬酸,形成棕色溶液。将棕色溶液与CeO2水溶胶混合搅拌一定时间,形成棕色溶胶,将溶胶在100℃水浴中加热至形成黏稠状凝胶,所得凝胶在电热鼓风干燥箱中于100℃下烘2 h,在马弗炉中600℃下焙烧10 h,得到Ce-Fe-O复合氧化物。

1.3 静态吸附

用KH2PO4(分析纯)和蒸馏水配制质量浓度为50 mg/L(以P计)的磷酸盐模拟水样,使用时以蒸馏水稀释至所需浓度。在各样品瓶中加入一定量Ce-Fe-O复合氧化物粉末,用盐酸或氨水溶液调节溶液p H。各样品瓶在搅拌器上搅拌一定时间后,用中速滤纸过滤,对滤液进行水质分析。

水中的磷采用钒钼酸分光光度法测定。

1.4 相关计算公式

吸附剂的平衡吸附量及水中磷的去除率采用下式计算:

式中:q——吸附剂的平衡吸附量,mg/g;ρ1, ρ2——吸附前后水样中磷的质量浓度,mg/L;V——处理水的体积,mL;m——吸附剂质量,g; a——磷去除率,%。

2 结果与讨论

2.1 铈铁吸附剂的吸附速率

在水样中磷质量浓度10 mg/L、p H=4.5条件下,恒温振荡不同时间后,测定水中残留磷的质量浓度,计算吸附量。试验结果如图1所示。

图1 铈铁吸附剂的吸附速率

从图1看出,铈铁吸附剂对水中磷的吸附主要发生在前1 h内,2 h时达到饱和。而活性氧化铝的吸附速率试验结果表明,在p H=4.5、其他条件相同情况下,吸附在3 h以后达到平衡。可见,相同条件下,铈铁氧化物吸附剂对水中磷的吸附速率比传统吸附剂活性氧化铝要快得多。

2.2 p H对铈铁吸附剂除磷的影响

在不同p H条件下,针对铈铁吸附剂和活性氧化铝吸附剂进行吸附试验。活性氧化铝投加量2 g/L,接触时间4 h;铈铁吸附剂投加量1 g/L,接触时间4 h。试验结果如图2所示。

图2 p H对吸附剂除磷吸附量的影响

图2表明:磷质量浓度为50 mg/L时,活性氧化铝的最佳p H吸附范围为2.8～3.8,最大吸附量为9.4 mg/g;而铈铁吸附剂的最佳吸附p H范围为4～5,最大吸附量为16.25 mg/g;同时,碱性条件下,铈铁吸附剂的吸附量也比较大。可见,铈铁吸附剂的使用p H范围更宽,吸附量更大。

2.3 铈铁吸附剂的吸附平衡

描述水溶液中的吸附过程通常采用Langmuir方程。Langmuir方程的线性化形式为

式中:ρe——平衡质量浓度,mg/L;qe——平衡吸附量,mg/g;qm、kL——Langmuir方程系数,qm、kL值越大,表明吸附剂的吸附性能越好。吸附等温线如图3所示。

图3 铈铁吸附剂的Langmuir吸附等温线

图3表明,铈铁吸附剂对废水中磷的去除是有效的。在试验浓度范围内,铈铁吸附剂的除磷性能可以用Langmuir吸附等温式进行描述。

3 结论

Ce-Fe-O复合氧化物吸附剂制备简单。相同条件下,与活性氧化铝相比,其吸附除磷效果更好,吸附量更大,接触时间短,吸附机制符合Langm uir方程。针对Ce-Fe-O复合氧化物吸附剂,其制备方法、吸附机制、吸附动力学及结构与其他方面的性能还需进一步研究。

[1] 季君晖,史维明.抗菌材料[M].北京:化学工业出版社, 2003:8.

[2] 岳林海.稀土元素掺杂二氧化钛催化剂光降解久效磷的研究[J].上海环境科学,1998,17(9):17-19.

[3] Tejuca L G,Fierro J L G,Tascon J M D.Structure and Reactivity of Perovskite-type Oxides[J].Adv Catal,1989,36 (2):237-328.

[4] 李德宇,徐月英,屠恒勇,等.Y-Ba-Cu-O系高温超导相晶体结构的研究[J].无机材料学报,1988,3(1):27-31.

[5] 匡文兴,范以宁,陈开东,等.La-Mo系列复合氧化物超细微粒催化剂的制备[J].物理化学学报,1996,12(9):861-865.