不同组成木质陶瓷对去除城市生活污水二级出水中有机物及氮磷的研究*

2016-12-07 03:04赵伊卜吴文涛任文会陈宇男蔡传伦
工业安全与环保 2016年11期
关键词:凹凸棒石吸附平衡麦秸

赵伊卜 吴文涛 任文会 陈宇男 蔡传伦

(合肥工业大学资源与环境工程学院 合肥 230009)



不同组成木质陶瓷对去除城市生活污水二级出水中有机物及氮磷的研究*

赵伊卜 吴文涛 任文会 陈宇男 蔡传伦

(合肥工业大学资源与环境工程学院 合肥 230009)

以小麦秸秆、凹凸棒石、针铁矿为原料,以酚醛树脂为黏结剂,通过复合、热压、烧结等工艺过程制备出不同成分的木质陶瓷,并利用该系列木质陶瓷对城市二级出水中的有机物及氮磷进行吸附实验研究。结果表明,900 ℃下的木质陶瓷[m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶1∶1]COD及NH3-N的吸附效果最佳,2 h可达吸附平衡,投加量为8 g/L时COD去除率达66.48%,投加量为6 g/L时氨氮去除率为69.72%,且酸性条件不利于COD的吸附,NH3-N的最佳吸附pH范围是2~11。800 ℃下的木质陶瓷[(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶2∶0]P的吸附效果最佳,15 min可达吸附平衡,投加量为6 g/L时总P去除率可达99.69%,pH值、转速、温度对吸附磷影响不大。

小麦秸秆 凹凸棒石 针铁矿 木质陶瓷 城市二级出水

0 引言

城市污水深度处理与再生被公认为是解决水资源短缺、城镇污水排放量增大这两大困境最直接有效的方法之一。污水深度处理生产的再生水可以被用作城市绿化用水、工业冷却水、景观河湖用水、生活杂用水、农田灌溉水等,其基建投资比远距离引水更经济[1]。深度处理技术可分为3类:生物处理法[2]、膜处理法[3]和物理化学处理法[4]。目前生产中对于废水的处理大量采用炭材料吸附来进行重金属离子、有机污染物和有色物质的脱除,主要为活性炭,包括粒状和纤维状活性炭。但活性炭本身价格较高,若只使用一次就丢弃极不经济,造成资源浪费,成本增加。活性炭对分子量在500~3 000的有机物有明显去除效果,但对氮磷却几乎不吸附[5]。

木质陶瓷是一种采用木质材料浸渍热固性树脂后真空(或氮气保护)碳化而成的一种新型多孔质碳素材料[6-8],是一种可以循环利用的自然资源,它的研究将材料的先进性、舒适性及环境协调性有效结合起来,有利于环境保护和废旧木质材料的重新利用,具有良好的社会效益和经济效益。

本文在项目组前期研究的基础上[9-11],主要对比不同组成木质陶瓷对城市二级出水中有机物及氮磷的吸附效果,从而筛选出对COD,NH3-N,总P最佳吸附组成的木质陶瓷。在此基础上并且通过改变实验条件,研究不同吸附条件下的吸附效果,为城市污水深度处理提供理论指导。

1 实验部分

1.1 实验材料与试剂

实验所取水样为合肥某污水处理厂二沉池出水、小麦秸秆、凹凸棒石、针铁矿、环氧树脂及固化剂、酒精、氮气(纯度≥98.5%)、磷酸二氢钾(分析纯)、氯化铵(分析纯)、10%的抗坏血酸、钼酸盐溶液、纳氏试剂、酒石酸钾钠等。

1.2 实验方法

1.2.1 材料的制备

把破碎好的小麦秸秆、凹凸棒石、针铁矿按照不同比例配料、混合均匀,以环氧树脂和固化剂作为粘合剂混合均匀,制成一系列木质陶瓷[m(小麦秸秆)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)的质量配比分别为1∶0∶0,1∶0∶1,1∶1∶0,1∶2∶0,2∶1∶0,1∶1∶1,1∶2∶1,2∶1∶1];充分混合,室温下干燥后,将混料加入模具,保持100~150 ℃热压成型,缓慢升压0~6 MPa;把成型后的坯体放入氮气保护的高温管式炉中,在不同的温度下程序升温烧结(烧结温度分别为600,700,800,900,1 000 ℃),得到系列制备样品。

1.2.2 吸附实验

取50 mL水样,称取一系列所制的经烘干,磨碎,过200目筛的木质陶瓷样品于锥形瓶中,充分混合,再将锥形瓶放入恒温水浴振荡箱中25 ℃下160 r/min振荡反应24 h,取出吸附水样离心分离后,上清液用0.145 μm 滤膜抽滤。分别用重铬酸钾分光光度法、钼锑抗分光光度法、纳氏试剂分光光度法测定COD,NH3-N和总P的浓度,然后计算去除率。

去除率ω的计算公式如下:

ω=(C0-Ct)/C0

(1)

式中,C0为初始浓度;Ct为t时刻的浓度。

2 实验结果与讨论

2.1 最佳配比和烧结温度的确定

不同配比在不同温度下制备的40种木质陶瓷对城市二级出水进行吸附试验,通过比较对COD,NH3-N和总P的吸附去除率来确定最佳配比和烧结温度。取50mL水样于锥形瓶中,加0.5g样品,保持25 ℃水浴震荡箱160r/min,24h后离心分离测吸光度。实验结果见表1所列。

表1 不同配比和烧结温度对COD、NH3-N和总P的吸附去除率 %

由表1可知,900 ℃下配比为m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶0∶0,1∶1∶1,2∶1∶1对二级水中COD的去除率较为接近,最高为63.28%。配比1∶0∶0为纯小麦秸秆,抗弯强度低且不具备纳米特性及磁性[12]。1∶1∶1与2∶1∶1相比,前者抗弯强度优于后者,综合考虑可选用900 ℃下配比为1∶1∶1的木质瓷对COD进行吸附。900 ℃下配比为m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶1∶1的木质陶瓷对NH3-N吸附去除率为73.05%,远高于其他配比及烧结温度。配比为m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶2∶0的木质陶瓷对总P吸附去率明显高于其他配比,其中800 ℃时去除率达99.47%。配比为1∶0∶1的木质陶瓷在温度为900 ℃和1 000 ℃时去除率也达96.71%和99.48%,考虑到经济成本,由于凹凸棒石较于针铁矿更廉价易得,故本实验选用1∶2∶0配比的木质陶瓷对P进行吸附研究。故确定最佳吸附条件时,选用木质陶瓷m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶1∶1对COD及NH3-N进行吸附研究;选用木质陶瓷m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶2∶0对总P进行吸附研究。

2.2 最佳吸附条件的确定

2.2.1 木质陶瓷投加量对吸附的影响

保持室温25±1 ℃,160 r/min震荡24 h,,研究木质陶瓷[m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶1∶1]的投加量对COD和NH3-N的去除率、[m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶2∶0]的投加量对总P的去除率的影响,如图1所示。

图1 投加量对COD,NH3-N和P吸附去除率的影响

由图1可知,随着投加量的增加,吸附去除率也随之增大,并逐渐达到平衡状态。当m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶1∶1投加量为0.3 g(即6 g/L)时,NH3-N达到吸附平衡,去除率为69.72%;投加量为0.4 g(即8 g/L)时,COD达到吸附平衡,去除率为66.48%。当m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶2∶0投加量为0.3 g(即6 g/L)时,对总P达到吸附平衡,去除率为99.69%。此时,再单纯增加吸附剂投加量以增加去除率是不经济的。

2.2.2 震荡速度对吸附的影响

保持室温25±1 ℃,分别取0.4 g和0.3 g木质陶瓷[m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶1∶1]对COD和NH3-N、0.3 g木质陶瓷[m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶2∶0]对P在不同震荡速度下进行吸附研究,24 h后吸附结果如图2所示。

图2 震荡速度对COD,NH3-N和P吸附去除率的影响

由图2可知,吸附剂对COD,NH3-N和P的去除率随着恒温振荡器的振荡速率的增加也在不断的增加。一方面是因为在温度恒定的条件下,溶液中水对吸附质的剪切作用会随着振荡速度的增加而减

小,液膜阻碍吸附剂的作用力减小,从而使得液膜传质速率增加;另一方面,吸附剂颗粒物的分散性随着振荡速度的增大而提高,从而增加了复合材料与吸附质的接触几率,有利于复合材料的吸附。因此可选择震荡速度为140 r/min。

2.2.3 吸附时间对吸附的影响

保持室温25±1 ℃,振荡速率160 r/min。分别取0.4 g和0.3 g木质陶瓷[m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶1∶1]对COD和NH3-N,0.3 g木质陶瓷[m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶2∶0]对P进行吸附研究,每隔一定时间取样检测。结果如图3所示。

图3 吸附时间对COD,NH3-N和P吸附去除率的影响

由图3可知,随着吸附时间的增加,吸附率随之增加。配比为m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿=1∶1∶1的木质陶瓷对COD和NH3-N的吸附平衡时间为2 h。配比为m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶2∶0的木质陶瓷对P的吸附15 min基本达到吸附平衡,2 h后出现的略微下降,可能是由于吸附平衡后的脱附引起的。

吸附速率的快慢是衡量吸附材料优劣的重要标准,为了描述固-液静态吸附的吸附动力学原理,并探讨吸附过程的机理,本实验采用准一级吸附和准二级吸附动力学模型进行拟合,结果见表2。

准一阶动力学模型为:

ln(Qe-Qt)=lnQe-k1t

(2)

准二阶动力学模型为:

(3)

式中,Qe,Qt分别为平衡和任意时刻的吸附量;k1为准一阶方程的吸附速率常数;k2为准二阶方程的吸附速率常数。

表2 动力学拟合相关参数

实验实测对COD,NH3-N,P的吸附容量分别为6.978 7,1.020 7,0.300 0 mg/g。由表2可知,吸附剂对COD,NH3-N和P的准二阶吸附拟合系数(R2)均比一阶的高,说明准二阶动力学方程更能描述吸附剂对COD,NH3-N,P的吸附过程。同时拟合结果显示,准二阶动力学拟合得到的吸附容量与实测的吸附容量很接近。由吸附速率常数(k2)可计算的三者的吸附速率大小顺序为COD

2.2.4 pH值对吸附的影响

保持室温25±1 ℃,振荡速率160 r/min。分别取0.4 g和0.3 g木质陶瓷[m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶1∶1]对COD和NH3-N、取0.3 g木质陶瓷[m(麦秸)∶(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶2∶0]对P进行吸附研究,调节水样pH值为2~13,pH值对吸附的影响如图4所示。

图4 pH值对吸附去除率的影响

2.2.5 温度对吸附的影响

固定转速160 r/min,分别取0.4 g和0.3 g木质陶瓷[m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶1∶1]对COD和NH3-N、取0.3 g木质陶瓷[m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶2∶0]对P在一系列设定温度下进行吸附研究,结果如图5所示。

图5 温度对吸附去除率的影响

3 结论

本研究利用不同组成及烧结温度的40种木质陶瓷对城市二级出水中有机物及氮磷进行了静态吸附实验。结果表明:配比为m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶1∶1的木质陶瓷在900 ℃时对COD及NH3-N有较好的吸附去除效果,配比为m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶2∶0的木质陶瓷在800 ℃时对P有很强的去除效果。

最佳吸附条件的确定实验表明:木质陶瓷配比为m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶1∶1时,投加量为8 g/L,COD吸附去除率可达66.48%,投加量为6 g/L,NH3-N吸附去除率达69.72%;配比为m(麦秸)∶m(凹凸棒石)∶m(针铁矿)=1∶2∶0时,投加量为6 g/L,对P的去除率可达99.69%。但研究发现pH值、转速、温度对吸附P影响不大。

吸附动力学研究结果表明木质陶瓷对COD,NH3-N和P的吸附均能较好地符合准二阶动力学方程模型。吸附后水样中COD,NH3-N和P的浓度均达到地表示污染物排放一级A标准。

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Study on the Removal of COD, Nitrogen and Phosphorus by Different Woodceramics Components in the Secondary Urban Sewage

ZHAO Yibo WU Wentao REN Wenhui CHEN Yunan CHAI Chuanlun

(SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,HefeiUniversityofTechnologyHefei230009)

In this experiment, using waste straw, palygorskite clay and goethite as the raw materials, and phenolic resin as adhesive, different woodceramics components are prepared through compositing, hot pressing and sintering and the series of woodceramics are used to absorb the organic substances, NH3-N and total phosphorus in secondary treatment effluent of municipal sewage. The results show that under the sintering temperature of 900 ℃, [m (straw)∶ m (palygorskite clay)∶ m (goethite) =1∶1∶1], the removal of COD and NH3-N are the best. Two hours later, it can reach adsorption equilibrium, the remvol rate of COD can be up to 66.48% when dosage is 8 g/L and the remvol rate of NH3-N can be up to 69.72% when dosage is 6 g/L, also, the acidic condition is harmful to the removal of COD, and the best pH value of NH3-N is 2~11. It is also found that under the sintering temperature of 800 ℃[m (straw)∶ m (palygorskite clay)∶ m (goethite) =1∶2∶0], the remvol of total phosphorus is the best, 15 mins later, it can reach adsorption equilibrium, and the remvol rate of phosphorus can be up to 99.69% when dosage is 6 g/L, but the pH value, rotating speed and tempeture has little effect on the adsorption of phosphorus.

wheat straw palygorskite clay goethite woodceramics secondary effluent of municipal sewage

安徽省自然科学研究重大项目(KJ2014ZD23),国家大学生创新性实验计划项目(201310359063)。

赵伊卜,男 ,1989年生,河南伊川县人,合肥工业大学硕士研究生。

2015-10-15)

吴文涛,男, 1972年生,安徽肥西人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师。

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