硫酸改性沸石吸附去除水中硝酸盐的特性研究

程 婷

(太原工业学院，山西太原，030008)

1 绪论

随着我国经济及消费水平的提高和工农业的快速崛起，地下水中硝酸盐的污染问题已经在我国各个地区广泛存在，必须加以重视。二十世纪末，在对我国的水质资源调查结果显示中，绝大部分城市地区的地下水水质正处于下滑趋势且恶化现象严重，其中最为突显的问题是硝酸盐为主要污染成分之一的“三氮”(NO3--N、NO2--N、氨氮)污染局面[1]。沸石是一种含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸矿物,可以用作吸附剂、催化剂和离子交换剂[2-3]。但天然沸石的孔隙率并不高，所以其吸附效率很是一般。为了提高其吸附效率，通过改性的方法，提高其吸附效率[4]。

2 实验材料及方法

2.1 沸石的预处理

将天然沸石用去离子水清洗至上清液澄清，过滤，烘干，备用。

2.2 硫酸改性沸石制备

在锥形瓶中加入一定体积的硫酸，然后加入一定量的经过预处理后的沸石，用恒温振荡器振荡，进行改性，改性后过滤出沸石，用去离子水清洗沸石2—3次至中性，烘干备用[5-6]。

2.3 静态吸附实验

称取一定量经过上述改性的沸石于锥形瓶中，加入一定体积的硝酸盐溶液，在室温下振荡一定时间，静止，过滤，测定，计算硝酸盐的去除率。

3 结果与讨论

3.1 标准曲线

本实验采用酚二磺酸分光光度法 (GB 7480-87)，对水中所含有的硝酸盐离子进行检测，得出标准曲线，如图1所示[7]。

图1 硝酸盐标准曲线图

3.2 沸石改性实验

3.2.1 硫酸浓度对改性沸石的影响

硫酸浓度为1%、3%、6%、12%、18%时对沸石改性的实验结果如图2所示。

图2 硫酸浓度改性沸石对硝酸盐去除率的影响

由图2分析得出，硫酸浓度1%时改性后的沸石对硝酸盐废水的去除率为57.46%，且会随着浓度的升高而增大，当硫酸浓度为3%时，改性沸石对硝酸盐的去除率达到最高为63.17%，当硫酸浓度超过3%时，改性沸石对硝酸盐的去除率会呈下降趋势，浓度为18%时降至47.60%。这可能是因为硫酸浓度过高或过低都不利于沸石的改性，硫酸浓度过高时，会将沸石内部晶体结构破坏，改性后沸石吸附性能也随之受到影响，从而造成对硝酸盐废水的去除率降低，但当硫酸浓度过低时，对沸石改性不完全，去除率低。因此当硫酸浓度为3%时对硝酸盐的去除率最高，为最佳的硫酸改性浓度。

3.2.2 改性时间对改性沸石的影响

硫酸浓度为3%，设置振荡时间为30min、60min、90min、120min、150min，制备沸石对硝酸盐去除效果的影响。如图3所示。

图3 改性时间对硝酸盐去除率的影响

由图3分析可得，硫酸改性时间在30min—120min这一时间段的效果逐渐缓慢上升至最高对硝酸盐废水的去除率为65.25%，当时间为150min时，对硝酸盐废水的去除效率会下降为61.87%，相较于120min改性沸石的效果会降低约3.5%，因此，可推测，浓硫酸在一定程度上会对沸石起到促进作用，而且它还能将沸石内部结构杂质溶解，杂质去除后会使沸石的孔道畅通，且孔隙率会增大，从而增强沸石的吸附性能，但如果改性时间过长，也不利于其吸附效果，超过120min时，反而超出了沸石所能承受的范围导致沸石的吸附性能降低，改性时间越大越不利于改性，因此最佳改性时间为20min[8-10]。

3.2.3 改性温度对改性沸石的影响

硫酸最佳改性温度的研究设置不同的振荡温度为：30℃、40℃、50℃、60℃、80℃，通过实验探讨硫酸最佳改性温度，不同温度改性沸石对硝酸盐的去除效果如图4所示。

图4 改性温度对硝酸盐去除率的影响

由图4分析可得出：改性温度在30℃时，对硝酸盐的去除率为61.13%，随着温度的升高，改性沸石对硝酸盐的去除率也升高。当温度为60℃时对硝酸盐的去除率最高为68.62%，当温度超过60℃时，改性沸石对硝酸盐的去除率出现下降，下降至65.51%。这可能是由于温度升高硫酸溶液的酸性也会随之增加，当温度超过一定值时，较强的酸性会破坏沸石内部结构从而会影响沸石的吸附性能，对硝酸盐的去除率也会下降，因此可得出结论：在沸石60℃下进行改性会有较好的吸附效果，且去除效率最高。

3.3 静态吸附实验

3.3.1 吸附剂投加量对吸附效果的影响

设置0.4g，0.6g，0.8g，1.0g，1.2g的投加量对于去除硝酸盐的影响，实验结果如图5所示。

图5 吸附剂投加量对硝酸盐废水去除率的影响

由图5可以得知，投加不同质量的改性沸石后硝酸盐废水去除率不同，设置投加量为0.2g时，硝酸盐去除率51.55 %，不断增大投加量，去除率逐渐上升，当投加量为1.0g时，去除率最高为72.28%。投加量大于1.0g后，去除率趋于平缓。可以看出投加量越大，对硝酸盐的去除率愈好，投加量增加后，颗粒增多，吸附活性变高，吸附点位数随之增多，对硝酸盐的去除率也会呈正相关，但是当投加量超过一定值时，此硝酸盐溶液会达到饱和，去除率会稳定在72%左右。为方便实验操作故而选取1g。

3.3.2 吸附时间对吸附效果的影响

设置不同吸附时间，分别为30min、60min、90min、120min、150min，对硝酸盐废水的影响，实验结果如图6所示。

图6 吸附时间对硝酸盐废水去除率的影响

由图6分析出，设置吸附时间为30min时对硝酸盐的去除率为68.47%，随着时间增长，去除硝酸盐的效果也会相应变好，当达到120min时，硝酸盐去除率达到最高为76.43%，但当120min后去除率会略有下降，降至75.86%。推测为吸附时间短时，废水与改性沸石的比表面积接触不完全，吸附不彻底，导致去除率不高，如果时间充分，改性沸石的活性会被充分利用，能够最大程度吸附硝酸盐，去除率达到最高，但时间过长，反而会超过改性沸石的吸附能力，从而影响吸附效果。故采取120min作为最佳吸附时间。

3.3.3 吸附温度对吸附效果的影响

设置温度为25℃、35℃、45℃、55℃、65℃对去除硝酸盐的影响，实验结果如图7所示。

图7 吸附温度对硝酸盐废水去除率的影响

由图7分析可得，温度设为25℃时，硝酸盐废水的去除率是76.50%，当温度升高后，吸附硝酸盐的效果也随之变好，当温度为55℃时，吸附硝酸盐达到一个至高点，它的去除率为80.13%，但温度持续增高去除率下降为79.58%。推测为酸改性沸石吸附去除水中硝酸盐为放热反应，温度升高有助于酸改性沸石吸附硝酸盐，废水中的硝酸盐分子会剧烈运动，它们与酸改性沸石的碰撞运动也会更加激烈，而当达到一定温度时，此吸附过程达到平衡，去除率也会略微下降。故而实验采取55℃为最佳吸附温度[1]。

3.3.4 吸附pH值对吸附效果的影响

设置不同pH值分别为2，4，6，8，10对去除硝酸盐的影响，实验结果如图8所示。

图8 吸附pH值对硝酸盐废水去除率的影响

由图8分析得出，当pH值=2时，去除率为56.47%，当增大pH值时，去除率增大，当pH值=6时，酸改性沸石对硝酸盐的去除率为84.16%，此时吸附效果最好，但当pH值>6时，改性沸石对硝酸盐的去除率呈下降趋势，下降至48.62%。推测为当pH值低时，酸改性沸石表面会带有正电荷，而水中的硝酸盐以阳离子形式存在，由于同种电荷相斥，使得吸附效果不好，同时在强酸性溶液中硫酸会发生降解从而导致硫酸的部分流失，使得去除效果下降，随着 pH值的上升，硫酸改性沸石表面负电荷增加，由于异种电荷相吸，使得去除率上升，而当 pH值大于6时，溶液中的 OH- 浓度的增加，使得硫酸质子化受阻，静电作用力减弱，从而降低对硝酸盐的吸附性能，因而去除率下降。故而实验采取6为最佳吸附pH值。

4 结论

通过对天然沸石进行硫酸改性，通过静态吸附实验对改性沸石吸附水中硝酸盐的制备条件进行研究，得到如下结论：

(1)最佳硫酸改性沸石条件：用浓硫酸改性沸石浓度为3%，改性时间120min，改性温度为60℃，在此条件下改性沸石对硝酸盐废水的去除率最高为68.62%。

(2)最佳吸附硝酸盐废水条件：吸附废水吸附剂投加量1.0g，吸附时间为120min，吸附温度为55℃，吸附pH值为6，吸附硝酸盐去除率最高为84.16%。