天然及改性沸石去除水中磷的試驗(yàn)研究.pdf

1、近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外因水體中營(yíng)養(yǎng)元素過(guò)量而引起的營(yíng)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(duì)于氨氮較少，但是磷元素在海洋、湖泊的赤潮、水華等富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)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(guó)內(nèi)外研究者重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。
　　本次通過(guò)吸附作用除磷，采用的試驗(yàn)為靜態(tài)吸附試驗(yàn)，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(duì)象，后半部分對(duì)去除實(shí)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(duì)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(cè)定儀(BET)，分別用來(lái)確定沸石材料的組成成分和測(cè)定吸附劑材料的比表面積。本文對(duì)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(gè)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(duì)天然沸石進(jìn)行改性，并通過(guò)控制各種因素(焙燒溫度、焙燒時(shí)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(guò)程的條件，確定最佳改性條

3、件；其次，將FeCl3改性前后沸石對(duì)磷酸根的吸附效果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)也將FeCl3改性吸附劑對(duì)磷元素(PO43-)及氮元素(NH4+)的去除效果進(jìn)行對(duì)比；再研究 FeCl3改性沸石在去除磷酸根的過(guò)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(yàn)反應(yīng)的時(shí)間、接觸溫度、pH及FeCl3改性吸附劑投加量，獲得FeCl3改性過(guò)程的最優(yōu)條件。最后將改性后的沸石應(yīng)用到實(shí)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(shí)際廢水

4、的能力。同時(shí)利用改性前后沸石吸附劑對(duì)模擬廢水和實(shí)際廢水中氮磷的去除數(shù)據(jù)繪制反應(yīng)過(guò)程的Langmuir、Freundlich吸附等溫線，對(duì)磷酸根的去除過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)分析，探討FeCl3改性吸附劑對(duì)磷酸根的去除機(jī)理。以下為實(shí)驗(yàn)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(guò)能譜儀測(cè)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(guò)單因素實(shí)驗(yàn)得到四種因素都對(duì) FeCl3溶液改性天然沸石的過(guò)程產(chǎn)生影響：FeCl3改性沸石對(duì)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(shí)間增長(zhǎng)對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改性過(guò)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(huì)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(shí)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(shí)間是4h，F(xiàn)eCl3的濃度是4.5mol/L。
　　(3)對(duì)改性沸石去除磷酸根的實(shí)驗(yàn)條件(磷酸根廢水的濃度、反應(yīng)過(guò)程中的振蕩時(shí)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(duì)磷的去除率增大，但投加量為1.5000g之后增長(zhǎng)幅度很小；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(zhǎng)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(duì)磷的去除效果因溫度升高逐漸增加；在pH小于8時(shí)，沸石去除劑去除磷酸根的量隨著pH值增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，pH=8時(shí)去除效果最好，之后pH繼續(xù)增長(zhǎng)去除效果降低。
　　(4) FeCl3改性后的沸石吸附劑相對(duì)于改性前吸附效果明顯增強(qiáng)，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(shí)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(zhǎng)了3.2055mg/g。FeCl3改性吸附劑對(duì)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(shuō)明FeCl3改性沸石去除磷酸根的反應(yīng)并不是簡(jiǎn)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(shuō)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(guò)程焓變?yōu)?2.371KJ/mol，充分證明此過(guò)程為吸熱的熵增過(guò)程并且屬于物理吸附。動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果顯示，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)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(dòng)力學(xué)過(guò)程，

10、說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程并不是簡(jiǎn)單快速吸附過(guò)程，而是快速和慢速交替的復(fù)雜過(guò)程。
　　(6)將天然及改性沸石應(yīng)用的實(shí)際廢水中，天然沸石對(duì)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(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002和國(guó)家污水綜合排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GB8978-1996。FeCl3改性沸石吸附劑應(yīng)用的實(shí)際養(yǎng)殖廢水中，對(duì)養(yǎng)殖廢水中的氨氮吸附量為2.21mg/g；對(duì)磷的吸附量為0.99mg/g