3種填料對氮磷吸附特性研究

3種填料對氮磷吸附特性研究

快速城市化不僅給人們帶來了巨大的好處，而且生活污水、廢水和農(nóng)藥的排放給當(dāng)?shù)睾恿鲙砹司薮蟮奈廴?。氮和磷超?biāo)是水體富營養(yǎng)化惡化的主要因素。因此，研究水體富營養(yǎng)化氮磷超標(biāo)已成為一個(gè)必須盡快解決的問題。目前,濕地技術(shù)由于其生態(tài)性和低成本成為脫氮除磷研究熱點(diǎn),而填料是濕地脫氮除磷的核心組成部分,因此開發(fā)經(jīng)濟(jì)適用、改善土壤肥效、不宜堵塞的濕地填料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義1材料和方法1.1試驗(yàn)用水的理化性質(zhì)試驗(yàn)材料:沸石、礫石、海綿鐵,其中沸石(斜發(fā))取自宜興市某水泥廠,礫石選用中礫(8~64mm),海綿鐵為3~5mm,主要的理化性質(zhì)如表1所示,試驗(yàn)用水采用自配水。試驗(yàn)儀器:紫外—可見分光光度計(jì)(752系列)、電子分析天平(AR-1140)、低速離心機(jī)(80-1)、恒溫振蕩器(THZ-82)、干燥箱(101-1)等。1.2測試方法1.2.1填料對氮磷的等溫吸附試驗(yàn)過程保持溫度25℃左右,所用填料均經(jīng)過高溫烘干,稱取10g填料分別放入7個(gè)250mL的錐形瓶中,依次加入5、10、20、40、60、80、100mg/L的NH式中:Q為填料對氮(磷)的吸附量,mg/kg;t為時(shí)間,min;c1.2.2結(jié)合碳和磷吸附動(dòng)力學(xué)配制40mg/LNH2結(jié)果和討論2.1填料的等溫吸附能力在溫度恒定的條件下,填料對氮磷的吸附現(xiàn)象采用Langmuir方程(見式(2))和Freundlich方程(見式(3))來表征吸附量以及溶質(zhì)平衡濃度之間的關(guān)系。式中:c海綿鐵、沸石及礫石對磷均有較好的吸附效果,其中海綿鐵對磷的吸附能力最顯著。海綿鐵對磷的等溫吸附擬合曲線如圖1所示。填料對磷的Langmuir和Freundlich擬合等溫吸附方程及相關(guān)參數(shù)見表2和表3。由表2可見,3種填料對磷的吸附都可以用Langmuir方程來描述(R海綿鐵、沸石及礫石對氮均有較好的吸附效果,但沸石對氮的吸附能力最顯著。沸石對氮的獨(dú)特吸附能力取決于自身的性質(zhì),其對氮的等溫吸附擬合曲線如圖2所示。填料對氮的Langmuir和Freundlich擬合等溫吸附方程及相關(guān)參數(shù)見表4和表5。由表4可以看出,3種填料對氮的吸附都可以用Langmuir方程來描述。由1/ab可以看出,沸石對氮的吸附能力最強(qiáng),海綿鐵與沸石對氮的吸附能力差不多,礫石的吸附能力最弱。由表5可以看出,3種填料對氮的Freundlich擬合等溫吸附方程顯示R2.2描述填料對磷等溫的動(dòng)力學(xué)特性采用一級動(dòng)力學(xué)方程(見式(4))、雙常數(shù)方程(見式(5))、Elovich方程(見式(6))等動(dòng)力學(xué)模型對氮磷的吸附動(dòng)力學(xué)進(jìn)行擬合。一級動(dòng)力學(xué)方程可以描述填料吸附量和時(shí)間之間的關(guān)系,主要適用于擴(kuò)散機(jī)制控制的動(dòng)力學(xué)過程;雙常數(shù)方程主要適合于反應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)擬合;Elovich方程可以描述很多反應(yīng)機(jī)制,但是對單一反應(yīng)機(jī)制不適合,如果反應(yīng)過程中活化能變化較大,則適合用該方程來擬合。式中:e、f為動(dòng)力學(xué)常數(shù)。由表6可知,雙常數(shù)和Elovich方程都能較好地描述填料對磷的等溫吸附動(dòng)力學(xué)特征,基本達(dá)到了極顯著水平;一級動(dòng)力學(xué)方程對3種填料的擬合效果部分達(dá)到顯著水平。由表7可知,3種動(dòng)力學(xué)模型都能很好地描述填料對氮的等溫吸附動(dòng)力學(xué)特征?？傮w而言,Elovich方程對3種填料的磷的吸附動(dòng)力學(xué)特征描述更準(zhǔn)確;一級動(dòng)力學(xué)方程對沸石的氮的吸附動(dòng)力學(xué)特征描述最精準(zhǔn)。這表明,填料對氮磷的吸附動(dòng)力學(xué)是反映速率和擴(kuò)散因子綜合控制的過程。2.3沸石和海損鐵對氮磷的等溫吸附效果由圖3可見,填料對氮磷的吸附過程呈現(xiàn)先快后慢的整體趨勢。由圖3(a)可以看出,吸附過程可以分為快、中、慢階段,填料表面的能量吸附位點(diǎn)存在高、中、低之分。在吸附最初階段(在10~60min內(nèi)),吸附曲線呈現(xiàn)上升趨勢,同時(shí)海綿鐵中存在大量鐵離子與磷酸根發(fā)生表面吸附由圖3(b)可以看出,在10~120min內(nèi),吸附量有不同程度的增加,初始增加較快。吸附中后期,吸附逐漸趨于飽和狀態(tài)。由于沸石本身的結(jié)構(gòu)、比表面積較大,沸石的晶體結(jié)構(gòu)是由硅(鋁)氧四面體連成三維的格架,格架中有大小不同的空穴和孔道,體積是晶體總體積的1/2以上,孔穴中離子周圍形成強(qiáng)大的電場,產(chǎn)生靜電作用,故沸石具有很強(qiáng)的吸附能力沸石中的陽離子可以交換水體中的銨離子,同時(shí)沸石中含有的金屬離子還可以與水體中的磷酸根發(fā)生沉淀反應(yīng)。海綿鐵內(nèi)部有大量不規(guī)則的空隙,由于并沒有形成較強(qiáng)電場,不能產(chǎn)生靜電作用,故而其對氮的吸附能力不及沸石,但由于海綿鐵所產(chǎn)生的鐵離子可與磷酸根形成沉淀物質(zhì),積累在海綿鐵表面,所以對磷的吸附能力要比沸石強(qiáng)。礫石對氮磷的吸附均不及海綿鐵和沸石,是由其結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定的,其比表面積遠(yuǎn)小于海綿鐵和沸石?？傮w上,礫石對氮磷的吸附最差,而沸石和海綿鐵對氮磷的吸附效果較好。從對氮磷的吸附量、吸附速率看,海綿鐵和沸石能夠作為人工濕地的填料對污水進(jìn)行處理,并且經(jīng)濟(jì)方面較便宜,取用方便。3填料對氮磷的等溫吸附動(dòng)力學(xué)特征(1)填料對氮和磷的吸附均能用Langmuir和Freundlich方程描述。理論上對磷的吸附量依次為海綿鐵>沸石>礫石;對氮依次為沸石>海綿鐵>礫石。(2)雙常數(shù)、一級動(dòng)力學(xué)和Elovich方程動(dòng)力學(xué)模型能夠較好地描述填料對氮磷的等溫吸附動(dòng)力學(xué)特征,其中Elovich方程對3種填料的磷的吸附動(dòng)力