天然及改性沸石去除水中磷的試驗研究.pdf

1、近幾十年來，國內(nèi)外因水體中營養(yǎng)元素過量而引起的營養(yǎng)富集化現(xiàn)象普遍發(fā)生，雖然在水體中的磷元素含量相對于氨氮較少，但是磷元素在海洋、湖泊的赤潮、水華等富營養(yǎng)化問題當(dāng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，如何減少生活污水和工業(yè)廢水中的磷元素已經(jīng)逐漸成為國內(nèi)外研究者重點關(guān)注的問題。
　　本次通過吸附作用除磷，采用的試驗為靜態(tài)吸附試驗，吸附劑是甘肅白銀天然及改性沸石材料。論文前半部分以磷酸鹽模擬廢水為研究對象，后半部分對去除實際養(yǎng)殖廢水和地表徑流中的氮磷元

2、素做了初步研究。對天然沸石所做的表征有電子掃描顯微鏡(SEM)、能譜儀（EDS）、比表面測定儀(BET)，分別用來確定沸石材料的組成成分和測定吸附劑材料的比表面積。本文對天然及改性沸石的吸附除磷特性方面所做的研究包括以下幾個方面，首先確定以白銀天然沸石為基礎(chǔ)原料的的改性方法：利用FeCl3溶液對天然沸石進(jìn)行改性，并通過控制各種因素(焙燒溫度、焙燒時間、天然沸石的顆粒半徑、FeCl3溶液的濃度)進(jìn)一步優(yōu)化沸石改性過程的條件，確定最佳改性條

3、件；其次，將FeCl3改性前后沸石對磷酸根的吸附效果進(jìn)行對比，同時也將FeCl3改性吸附劑對磷元素(PO43-)及氮元素(NH4+)的去除效果進(jìn)行對比；再研究 FeCl3改性沸石在去除磷酸根的過程中容易受到的各種因素的影響，比如模擬磷廢水初始濃度、靜態(tài)試驗反應(yīng)的時間、接觸溫度、pH及FeCl3改性吸附劑投加量，獲得FeCl3改性過程的最優(yōu)條件。最后將改性后的沸石應(yīng)用到實際養(yǎng)殖廢水和降雨形成的地表徑流中氮磷的去除，考察改性沸石處理實際廢水

4、的能力。同時利用改性前后沸石吸附劑對模擬廢水和實際廢水中氮磷的去除數(shù)據(jù)繪制反應(yīng)過程的Langmuir、Freundlich吸附等溫線，對磷酸根的去除過程進(jìn)行動力學(xué)、熱力學(xué)分析，探討FeCl3改性吸附劑對磷酸根的去除機理。以下為實驗結(jié)果：
　　(1)電子顯微鏡的圖片顯示沸石的表面十分粗糙并且晶體內(nèi)部存在大量的孔穴和孔隙；通過能譜儀測定天然沸石的主要組成成分有鋁、硅、鐵等元素。其中，Al占總量的12.47％，F(xiàn)e占總量的13.44%，

5、Si與Al的元素含量之比為4.13。白銀沸石顆粒的比表面積是10.08m2/g，改性后鐵的含量明顯提高。
　　(2)通過單因素實驗得到四種因素都對 FeCl3溶液改性天然沸石的過程產(chǎn)生影響：FeCl3改性沸石對磷的吸附能力隨 FeCl3溶液濃度增大而增大，隨著焙燒溫度增高卻降低，隨在焙燒時間增長對磷的去除量逐漸遞增，顆粒尺寸越小產(chǎn)生的去除效果越好。正交實驗結(jié)果表明改性過程最主要的影響因素是焙燒溫度，焙燒溫度不能太高，否則會破壞沸石

6、的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使孔穴和孔道坍塌，其次是沸石的粒徑、焙燒時間和FeCl3溶液的濃度。得到的最佳改性條件為：焙燒溫度為200℃，吸附劑粒徑為80~100目，焙燒時間是4h，F(xiàn)eCl3的濃度是4.5mol/L。
　　(3)對改性沸石去除磷酸根的實驗條件(磷酸根廢水的濃度、反應(yīng)過程中的振蕩時間、溫度、pH及吸附劑的投加量)的研究得到：FeCl3改性沸石投加量不斷升高，對磷的去除率增大，但投加量為1.5000g之后增長幅度很??；FeCl3改性

7、吸附劑去除量隨磷初始濃度增大先迅速增加，在磷模擬廢水初始濃度為140mg/L之后，去除量增長趨于平緩，具有“快速吸附、緩慢平衡”的性質(zhì)；FeCl3改性復(fù)合吸附劑對磷的去除效果因溫度升高逐漸增加；在pH小于8時，沸石去除劑去除磷酸根的量隨著pH值增長而增長，pH=8時去除效果最好，之后pH繼續(xù)增長去除效果降低。
　　(4) FeCl3改性后的沸石吸附劑相對于改性前吸附效果明顯增強，天然沸石去除磷酸根在900min之后緩慢趨于平衡，氯

8、化鐵改性后的沸石反應(yīng)趨于平緩的時間略短，在720min后趨于平衡狀態(tài)，平衡吸附量為3.2798mg/g，平衡吸附量比之前增長了3.2055mg/g。FeCl3改性吸附劑對NH4+的去除能力與PO43-的去除能力相差較大，效果不是很好。
　　(5) Freundlich模型的R2大于Langmuir、Freundlich和Tempkin模型的R2，說明FeCl3改性沸石去除磷酸根的反應(yīng)并不是簡單單分子層吸附，而是更符合Freundl

9、ich模型的表面不均勻的多分子層反應(yīng)。其中，氯化鐵改性沸石去除磷酸根反應(yīng)模型方程中的1/n=0.2056，說明吸附反應(yīng)容易進(jìn)行，因此吸附反應(yīng)屬于優(yōu)化吸附。熱力學(xué)分析中顯示，改性吸附劑的吸附熵變?yōu)?40.67 J/(mol·K)，過程焓變?yōu)?2.371KJ/mol，充分證明此過程為吸熱的熵增過程并且屬于物理吸附。動力學(xué)分析結(jié)果顯示，準(zhǔn)二級動力學(xué)方程相關(guān)系數(shù) R2=0.9988，R2最大，更能準(zhǔn)確描述 FeCl3改性沸石吸附劑的動力學(xué)過程，

10、說明反應(yīng)過程并不是簡單快速吸附過程，而是快速和慢速交替的復(fù)雜過程。
　　(6)將天然及改性沸石應(yīng)用的實際廢水中，天然沸石對地表徑流中的氨氮去除率最高可以達(dá)到78.9%，氨氮剩余濃度為0.327 mg/L，符合國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002和國家污水綜合排放一級標(biāo)準(zhǔn)GB8978-1996。FeCl3改性沸石吸附劑應(yīng)用的實際養(yǎng)殖廢水中，對養(yǎng)殖廢水中的氨氮吸附量為2.21mg/g；對磷的吸附量為0.99mg/g