人造沸石对含磷废水的吸附实验研究

石 岩, 郭汶俊, 郭东鑫, 周超见, 李亚雄, 卜顺顺

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)



人造沸石对含磷废水的吸附实验研究

石 岩, 郭汶俊, 郭东鑫, 周超见, 李亚雄, 卜顺顺

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

采用人造沸石对废水中的磷素进行静态吸附实验,探究了废水中磷浓度、吸附时间、沸石粒径、温度、pH值对除磷效果的影响.结果表明：在30 mg/L的磷质量浓度下沸石饱和吸附量为118 mg/kg；磷质量浓度小于30 mg/L,沸石的吸附量随磷质量浓度的增加而增加;沸石吸附磷的最佳吸附时间为120 min、温度为25～45 ℃、pH值为8～9；随着沸石粒径的减小,沸石的吸附量逐渐增大.沸石粒径小于100 目时,沸石吸附量达到112 mg/kg,接近饱和吸附量,但从经济、实际应用方面考虑，不建议选择太小粒径的沸石颗粒.

人造沸石;废水;磷;吸附

磷是造成水体富营养化的主要元素之一.随着我国经济的快速发展,水资源利用量剧增,每年产生的含磷废水量也越来越大.现行的废水二级处理法不能有效地处理废水中的磷,大量的含磷水体未经有效处理就直接排入水体,造成水体质量严重下降,加剧了我国水资源的短缺[1].因此,研究一种廉价的处理材料,开发一种经济、高效的废水除磷工艺显得尤为重要.目前水体除磷的方法主要有化学法除磷、生物法除磷和人工湿地法除磷3种,但这3种方法都存在除磷周期长、去除成本高等问题[2-3].

沸石具有架状构造的骨架结构,其孔隙率高、比表面积大、离子交换能力强,是良好的吸附材料.另外,沸石资源在我国储量丰富,价格低廉,具有良好的应用前景[4-5].

本文通过静态吸附实验,确定了沸石吸附量随沸石粒径、温度、磷浓度、pH值等的变化规律,确定了沸石吸附的最佳吸附条件,对沸石的工业应用具有重要的指导意义.

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

沸石选用天津市某公司生产的球状颗粒,粒径2～5 mm,淡黄色.实验药品采用分析纯,有Na3PO4，NaOH，(1+1)H2SO4，10%抗坏血酸、钼酸铵.实验用水采用超纯水.仪器主要有分光光度计(UV752型)、水浴恒温振荡器(SHA-R2002型)、离心机(80-1型)、烘箱(中兴101型)、DZS-706型多参数分析仪等.

1.2 实验用含磷废水的配置及沸石预处理

含磷废水为人工配制的质量浓度为30 mg/L的磷酸盐溶液.配制方法为:用电子天平称取Na3PO40.474 3 g置于烧杯中,在烧杯中加入3 L超纯水,搅拌均匀备用.

将所选沸石用去离子水清洗2～3次后,置于烘箱中105 ℃温度下烘干2 h备用.

1.3 沸石吸附磷实验

用电子天平称取1 g沸石加入到150 mL具塞三角瓶中,再加入50 mL质量浓度为30 mg/L的磷酸盐溶液，然后，将具塞三角瓶放入振荡箱中振荡,设置温度为30 ℃,振荡速度为200 r/min；振荡120 min后，取20 mL上层清液离心20 min,设置转速为200 r/min；经0.45 μm的滤膜过滤后用钼锑抗分光光度法测定溶液浓度.将具塞三角瓶中溶液取出，重复以上操作至沸石对溶液无吸附.实验得出沸石的饱和吸附量为118 mg/kg.

2 结果与讨论

2.1 吸附时间对除磷的影响

用电子天平分别称取2 g沸石8份，分别加入到8个150 mL具塞三角瓶中,再加入50 mL质量浓度为30 mg/L的磷酸盐溶液并放入振荡箱中振荡.设置振荡箱温度为30 ℃,振荡速度为200 r/min,吸附时间分别为20,40,60,90,120,150,180,210 min,然后取其20 mL上清液离心20 min,设置转速为200 r/min,经0.45 μm的滤膜过滤后用钼锑抗分光光度法测定溶液浓度,计算出沸石吸附量.为了进一步讨论磷质量浓度对吸附平衡时间的影响，改变磷酸盐溶液质量浓度为3，12，21 mg/L，重复以上实验.实验结果如图1所示.

图1 吸附时间对磷吸附平衡的影响

由图1可知,在吸附时间为120 min时，基本达到了吸附平衡,沸石的吸附量为58.5 mg/kg；吸附时间超过180 min后，沸石吸附量有下降的趋势.其原因是沸石中没有吸附磷的有效载体,使得磷酸根可以在沸石孔隙中随意出入,而一段时间后沸石中的磷酸根又释放到了磷溶液中.

磷质量浓度大小对吸附平衡时间并无太大影响,在吸附120 min后达到平衡,超过180 min后,吸附量开始下降.以后的实验吸附时间定为150 min.

2.2 磷质量浓度对吸附的影响

用电子天平称取2 g沸石6份分别加入到150 mL不同编号的具塞三角瓶中,再加入50 mL配制的不同质量浓度的磷酸盐溶液，放入振荡箱中振荡；振荡箱设置温度30 ℃,振荡速度200 r/min,150 min后取出20 mL上清液离心20 min；经0.45 μm的滤膜过滤后用钼锑抗分光光度法测定溶液浓度,进而计算出沸石吸附量.实验结果如图2所示.

由图2可知，随着磷质量浓度的增大,沸石的吸附量呈线性增大,原因是沸石无法固定磷酸根离子,沸石与溶液之间构成了吸附动态平衡,初始质量浓度大的溶液沸石吸附量也大.

图2 磷质量浓度对磷吸附的影响

2.3 沸石粒径对磷吸附的影响

将实验所用沸石手工粉碎后得到5,10,20,40,60,80,100目粉末各2 g分别放入到7个150 mL具塞三角瓶中,再分别加入50 mL配制的质量浓度为30 mg/L的磷酸盐溶液，放入振荡箱中振荡；设置温度为30 ℃,振荡速度为200 r/min,振荡150 min后取20 mL上清液离心20 min；经0.45 μm的滤膜过滤后用钼锑抗分光光度法测定溶液浓度,计算出沸石吸附量.实验结果如图3所示.

图3 沸石粒径对磷吸附的影响

由图3可知,随着沸石粒径的减小,沸石的吸附量逐渐增大.沸石的粒径越小,沸石的比表面积越大,沸石的孔隙越多.当粒径为100目时,沸石的吸附量达到了112 mg/kg,基本达到了沸石的饱和吸附量.但是随着沸石粒径的减小,会增加出水损失,所以从经济方面考虑并不是粒径越小越好.

2.4 pH值对磷吸附的影响

用电子天平分别称取2 g沸石8份，分别加入到8个150 mL具塞三角瓶中,再加入50 mL质量浓度为30 mg/L的磷酸盐溶液，用浓度1 mol/L的盐酸和1 mol/L的氢氧化钠溶液调节溶液pH值分别为5,6,7,8,9,10,11,12，放入振荡箱中振荡；设置温度为30 ℃,振荡速度为200 r/min,振荡150 min后取20 mL上清液离心20 min；经0.45 μm的滤膜过滤后用钼锑抗分光光度法测定溶液浓度,计算出沸石吸附量.实验结果如图4所示.

图4 溶液酸碱性对磷吸附的影响

2.5 温度对磷吸附的影响

用电子天平分别称取2 g沸石5份，分别加入到150 mL不同编号的具塞三角瓶中,再加入50 mL配制的质量浓度为30 mg/L磷酸盐溶液,分别在25,30,35,40,45 ℃温度下振荡；150 min后取出20 mL上清液离心20 min；振荡速度为200 r/min,离心速度为200 r/min；用0.45 μm的滤膜过滤后测定沸石吸附量.实验结果如图5所示.

图5 温度对磷吸附的影响

由图5可知,在25～45 ℃内温度对磷的吸附并无太大影响,在35 ℃时沸石对磷的平衡吸附量为52.83 mg/L.

3 结 语

实验表明，沸石吸附磷在120 min时达到吸附平衡,吸附时间大于180 min时吸附量有下降趋势.沸石粒径、磷质量浓度对沸石的吸附量有较大影响,当沸石粒径小于100目时,沸石吸附量达到了112 mg/kg,但是沸石粒径过小会增加出水损失,所以沸石粒径不能太小.温度、pH值对沸石吸附量影响较小.

[1]俞栋,谢有奎,方振东,等.污水除磷技术的现状与发展[J].重庆工业高等专科学校学报,2004,19(1):9-12.

[2]邱维,张智.城市污水化学除磷的探讨[J].重庆环境科学,2002,24(2):81-84.

[3]邓聪,邓春玲,杨育喜,等.污水除磷技术[J].云南环境科学,2003,22(1):52-55.

[4]赵增迎,黄成华.沸石吸附废水中磷污染物的研究[J].上海化工,2005,30(5):5-7.

[5]赵桂瑜,周琪.沸石吸附去除污水中磷的研究[J].水处理技术,2007,33(2):34-37.

(责任编辑: 蔡洪涛)

Experimental Research on Adsorption of Phosphorus from Wastewater by Synthetic Zeolite

SHI Yan, GUO Wenjun, GUO Dongxin, ZHOU Chaojian,LI Yaxiong, BU Shunshun

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

This paper is focused on the adsorption of phosphorus from wastewater by synthetic zeolite. It is found that the main factors affecting the phosphorus removal efficiency by synthetic zeolite are concentration of phosphorus from wastewater, adsorption time, the particle sizes of synthetic zeolite, adsorption temperature and pH value. The results show that the adsorption capacity of synthetic zeolite is 118 mg/kg when the concentration of phosphorus from wastewater is 30 mg/L, while the adsorption of synthetic zeolite increases with the increase of phosphorus concentration when the concentration of phosphorus from wastewater is less than 30 mg/L, the best adsorption time for phosphorus by synthetic zeolite is 120 min at the temperature of 25～45 ℃ and the pH value of 8～9, the adsorption capacity of synthetic zeolite increases gradually when the particle sizes of synthetic zeolite decrease, the adsorption of synthetic zeolite is up to 112 mg/kg and close to the saturated adsorption when the particle sizes of synthetic zeolite are smaller than 100 meshes, so it is not reasonable to choose too small particle sizes of synthetic zeolite from the aspects of economy and practical applications.

synthetic zeolite; wastewater; phosphorus; adsorption

2014-12-22

华北水利水电大学2014年度大学生创新性实验项目(201420).

石 岩(1980—),女,河南邓州人,讲师,博士研究生,主要从事水环境方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.019

X522

A

1002-5634(2015)01-0090-03