分子篩對水中氨氮的吸附性能研究

王 琦， 田 媛， 馬昆倫， 劉效蘭

(北京工商大學 化學與環境工程學院， 北京 100048)

由于世界人口增長和社會經濟的發展，大量生活污水和工業廢水排入天然水體，污染了水源地，導致水體富營養化，使可使用的水資源日益減少. 目前，去除水中氨氮的方法主要有物理化學法和生物法. 其中物理化學法包括吹脫法、電吸附法、超聲波法等，而生物脫氮法主要是利用微生物的硝化、反硝化作用去除多種含氮化合物[1]. 吹脫法適合處理高濃度氨氮廢水，但去除率受溫度的影響[2]；生物法工藝較復雜，運行麻煩，費用較高，受溫度和有毒物質的影響較大[3]； 膜生物反應器處理效果好，流程簡單，設備少，占地小,但處理量較小[4]； F.F復合分子篩是一種新型的材料，有很好的氨氮去除效果，并且價格便宜，使用方便,可重復使用[5-10]. 本研究通過實驗室的模擬，研究了分子篩對水中氨氮的去除效果及其影響因素，并對吸附機理進行了初步探討，為分子篩除氨氮的可行性和實用性提供了一定的依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新型F.F復活分子篩，以下簡稱分子篩，比表面積大于800 m2，粒徑一般為0.4～2.0 mm，堆積密度為0.8～1.0 g/cm3. 通過x衍射測定，這種分子篩是一種鋁硅酸鹽礦物，主要含有Si，Al，Na，Ca等元素以及少量的Sr，Ba，K，Mg等金屬.

1.2 試驗方法

采用靜態試驗的方法，利用恒溫振蕩器對分子篩的吸附性能和影響因素進行分析.

處理水：由氯化銨與去離子水配置；

測定方法：納氏試劑比色法(GB7479—87).

2 結果與分析

2.1 分子篩粒徑大小對氨氮去除效果的影響

分別選取3種粒徑的分子篩各4 g，向其中加入100 mL氨氮濃度為5 mg/L的模擬污水，然后放置在恒溫振蕩器內，在室溫、轉速為120 r/min的條件下進行震蕩，得到的靜態吸附試驗結果見圖1.

圖1 分子篩粒徑對氨氮去除效果的影響Fig.1 Effect of diameter on NH3-N removal efficiency

由圖1可知，分子篩對水中氨氮的去除效果，隨粒徑的增大而減少. 粒徑小于0.9 mm時，去除率達80%；當粒徑為0.9～2.0 mm時，去除率為78%；當粒徑大于2 mm時，去除率僅為70%. 分子篩去除氨氮主要是依靠分子間色散力和大量的孔道，當粒徑較小時，相同質量分子篩比表面積越大，孔徑也更多，所以去除率同使用較大粒徑時相比要高.

2.2 分子篩質量對氨氮去除效果的影響

將不同質量分子篩沸石加入100 mL，5 mg/L模擬含氨氮水中，放入恒溫振蕩器內，結果見圖2.

圖2 分子篩質量對氨氮去除效果的影響Fig.2 Effect of mass on NH3-N removal efficiency

2.3 停留時間對氨氮去除效果的影響

圖3 停留時間對氨氮去除效果的影響Fig.3 Effect of time on NH3-N removal efficiency

2.4 pH值對氨氮去除效果的影響

配置若干份濃度為5 mg/L的模擬污水，用稀鹽酸和氫氧化鈉調節pH值，分別加入4 g分子篩，測定不同pH值對氨氮去除效果的影響，結果如圖4.

圖4 pH值對氨氮去除效果的影響Fig.4 Effect of pH on NH3-N removal efficiency

2.5 溫度對氨氮去除效果的影響

配置若干份100 mL，5 mg/L的模擬污水，分別加入4 g分子篩，在不同的溫度下進行恒溫振蕩，測定溫度對氨氮去除效果的影響，結果如圖5.

圖5 溫度對氨氮去除效果的影響Fig.5 Effect of temperature on NH3-N removal efficiency

圖5顯示了氨氮的去除效果隨溫度變化趨勢. 隨溫度增加，氨氮的去除率逐漸上升，當溫度為20 ℃時，分子篩對氨氮的去除率為80%；當溫度升高到60 ℃時，氨氮的去除率達到84%. 溫度升高后溶液中布朗運動增大，氨離子活度增強，更利于進入分子篩表面的孔徑和通道，同時溫度升高，水中氨更易揮發，導致氨氮去除率的上升.

3 分子篩機理分析

分子篩表面具有色散力和負電荷，通過色散力吸附溶液中的NH4+，降低NH4+和分子篩的表面距離，然后表面負電荷與NH4+產生靜電吸附力，吸引陽離子前來中和負電性. 并且分子篩有大量的孔隙和孔道，比表面積大，活性高，在毛細力作用下，NH4+進入分子篩的孔道內，并與Na+發生離子交換作用，從而達到去除水中氨氮的目的[5].

4 結 論

分子篩對水中氨氮的去除率隨著分子篩粒徑的減小而增加；分子篩質量與氨氮的去除率呈正相關，當分子篩質量為4 g時，對100 mL，5 mg/L的模擬氨氮水的去除率達到了80%，質量超過4 g后隨質量的增加去除率變化較小；氨氮去除率隨停留時間的增加而增加，反應到40 min時基本達到了吸附平衡；在弱酸性和堿性條件下氨氮去除率有所增加，均超過90%；氨氮的去除效果隨溫度的升高而上升.