凹凸棒石鐵/鋁氫氧化物納米復(fù)合材料對(duì)磷的吸附動(dòng)力學(xué)研究論文
近年來，水體的富營(yíng)養(yǎng)化問題已經(jīng)是全球面臨的嚴(yán)峻的水污染問題之一。水體富營(yíng)養(yǎng)化，藻類過量繁殖引起水質(zhì)惡化、湖泊退化，嚴(yán)重破壞了水體生態(tài)環(huán)境，威脅水生生物的生存和人類健康。由于磷是藻類細(xì)胞中的必需元素，并且磷是藻類增殖的最重要限制因素，因此，控制含磷廢水的排放是解決受納水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵。然而，各類廢水經(jīng)處理后，即使磷的濃度達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 8978～1996，0.5 mg/L)，仍比地表水環(huán)境質(zhì)量二類標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838～2002，0.0025 mg/L)高 20 倍，不足以有效遏制水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生。
目前廢水處理工藝中常用的除磷方法主要是生物法、化學(xué)沉淀法和吸附法。生物法除磷是基于噬磷菌在好氧及厭氧條件下攝取及釋放磷的原理，通過好氧-厭氧的交替運(yùn)行實(shí)現(xiàn)生物除磷。但是，生物除磷工藝的運(yùn)行操作條件受到環(huán)境條件的限制，運(yùn)行穩(wěn)定性較差，對(duì)廢水中有機(jī)物濃度(BOD)依賴性強(qiáng)，難以深度去除水中的磷。并且生物法除磷會(huì)產(chǎn)生含磷的剩余污泥，需要進(jìn)一步濃縮、脫水�；瘜W(xué)沉淀法除磷需要投加鐵、鋁鹽沉淀劑，雖能達(dá)到較高的出水要求，但因使用金屬鹽使得出水的色度大，鐵、鋁的磷酸鹽很難從水中沉淀去除，需要嚴(yán)格的過濾措施，并且化學(xué)沉淀法很難處理低濃度的含磷廢水。吸附法除磷因工藝簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，可以作為生物除磷法的必要補(bǔ)充，也可以作為單獨(dú)的除磷手段。
吸附法除磷要求吸附劑應(yīng)具備高吸附容量、高選擇性、吸附劑再生容易、性能穩(wěn)定、原料廉價(jià)易得等特點(diǎn)。天然的吸附劑如沸石、方解石、膨潤(rùn)土、蒙脫石、蛭石等天然礦物材料，雖成本低廉易得，但是對(duì)磷的吸附容量比較低，尤其是針對(duì)低濃度含磷廢水的深度處理效果不好。凹凸棒石因廉價(jià)易得且具有良好的吸附性能在環(huán)境治理方面的研究也越來越多。凹凸棒石是鏈層狀含鎂鋁硅酸鹽黏土礦物，具有獨(dú)特的棒狀晶體結(jié)構(gòu)，其晶體直徑約為 40 nm，具有較大的比表面積以及良好的吸附性能。凹凸棒石表面帶負(fù)電荷，具有較高的化學(xué)活性，能夠誘導(dǎo)金屬鹽沉淀(如：鐵鹽、鋁鹽)以及正負(fù)膠體顆粒相互作用形成高分散的凹凸棒石納米復(fù)合體。本實(shí)驗(yàn)將鐵/鋁氫氧化物負(fù)載在凹凸棒石表面，制備具有高分散特性的納米復(fù)合材料作為磷的吸附劑，通過吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)探究其吸附機(jī)理，為水體富營(yíng)養(yǎng)化防治提供一種新思路、新方法。
1 材料與方法
1.1 材料制備
實(shí)驗(yàn)所用的凹凸棒石購(gòu)買自江蘇南大紫金科技有限公司。通過鐵鹽、鋁鹽在凹凸棒石表面誘導(dǎo)沉淀制備3種具備高分散特性的凹凸棒石/鐵鋁氫氧化物納米復(fù)合材料，其具體制備流程已在文獻(xiàn)中敘述。使用 KH2PO4溶解于純水中配置模擬含磷污水。實(shí)驗(yàn)所用其他藥品均為分析純。
1.2 測(cè)試方法
使用鉬酸銨分光光度法測(cè)定磷酸鹽的濃度;日本島津 1800 型 X 射線熒光(XRF)分析儀分析物質(zhì)的化學(xué)組成;X 射線衍射(XRD)分析使用日本理學(xué) D/Max-rB 型 X 射線衍射儀，銅靶，電壓40 kV，電流 100 mA，掃描速度 6/min。
2 結(jié)果與討論
2.1 納米復(fù)合材料表征
天然凹凸棒石和納米復(fù)合材料的化學(xué)組成采用XRF 分析測(cè)定(表 1)，元素的含量以最高氧化態(tài)的百分比表示。 制 備 的 3 種 納 米 復(fù) 合 吸 附 劑PNCMⅠ中 Al2O3的含量、PNCMⅡ中 Fe2O3的含量、以及 PNCM Ⅲ中 Al2O3和 Fe2O3的含量均明顯增加。XRF 的分析結(jié)果結(jié)合前期的研究表明鐵/鋁氫氧化物能夠成功負(fù)載在凹凸棒石上。
2.2 不同溫度下吸附磷動(dòng)力學(xué)
不同溫度 3種PNCM吸附磷的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PNCM對(duì)磷的吸附在不同的溫度下反應(yīng)進(jìn)行的都很快，在 1 h 后基本達(dá)到吸附平衡，曲線趨于平坦。從圖 2b、c 可以看出，3 種材料對(duì)磷的吸附量隨著溫度的升高變化不明顯。PNCMⅠ較其他兩種材料對(duì)磷的吸附量最大，原因是 AlPO4的溶度積(Ksp=5.8×10-21)和 FePO4的溶度積(Ksp=9.91×10-16)相差 105倍，即 AlPO4比 FePO4容易沉淀，從而使得 PNCMⅠ更容易吸附磷。
2.3 不同的磷的'初始濃度下吸附磷的動(dòng)力學(xué)
不同磷的初始濃度下PNCM吸附磷的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3 種 PNCM 對(duì)于不同濃度磷的吸附反應(yīng)進(jìn)行的都很快，在 1 h 后基本達(dá)到吸附平衡，曲線趨于平坦。當(dāng)磷酸根濃度不斷增大時(shí)，增加了吸附劑與磷的接觸碰撞幾率，從而吸附劑對(duì)磷的吸附量增大。
分別用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)不同磷的初始濃度的 PNCM 吸附磷的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如表 3 所示。從表 3 看出，3種吸附劑對(duì)磷的實(shí)際吸附量(q1)、理論吸附量(q2)和初始吸附速率(h)均隨著磷的初始濃度的增大而增大，這個(gè)結(jié)果跟 Mezenner 等[2]相符合。其中PNCMⅠ對(duì)磷的吸附量較其他兩種最大。當(dāng)磷的初始濃度為 50 mg/L 時(shí)，PNCMⅠ對(duì)磷的理論吸附量為 18.182 mg/g，均大于傳統(tǒng)的吸附劑石英砂(最大吸附量為 0.08 mg/g[19])和活性炭(最大吸附量為7.80 mg/g[20])。從表 3 看出，3 種吸附劑對(duì)磷的吸附在準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程線性擬合的相關(guān)系數(shù)高于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程線性擬合的相關(guān)系數(shù)，因此 3 種吸附劑對(duì)磷的吸附動(dòng)力學(xué)擬合更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，這與上面得到的結(jié)論相同，也與其他吸附除磷的動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果一致。
3 結(jié) 論
(1) 通過對(duì) 3 種吸附劑表征分析，制備的3 種納米復(fù)合材料吸附劑鐵/鋁氫氧化物成功負(fù)載在凹凸棒石的表面形成納米顆粒，并且未改變凹凸棒石載體的晶體結(jié)構(gòu);
(2) 溫度對(duì)于 3 種吸附劑吸附磷的動(dòng)力學(xué)參數(shù)影響不顯著。3 種吸附劑對(duì)磷的實(shí)際吸附量(q1)、理論吸附量(q2)和初始吸附速率(h)均隨著磷的初始濃度的增大而增大。PNCMⅠ對(duì)磷的理論吸附量最大，為 18.182 mg/g;
(3) 3 種凹凸棒石粘土納米復(fù)合材料對(duì)磷的吸附符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。
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