利用NaCl改性頁巖陶粒的污水脫氮研究

楊文卿 蔡智興 卓 倩 朱詩琦 許麗洪 戴玉梅

（1福建師范大學閩南科技學院福建泉州362332 2福建師范大學閩南科技學院環境科學研究所福建泉州362332）

利用NaCl改性頁巖陶粒的污水脫氮研究

楊文卿1，2*蔡智興1，2卓 倩1，2朱詩琦1，2許麗洪1，2戴玉梅1，2

（1福建師范大學閩南科技學院福建泉州362332 2福建師范大學閩南科技學院環境科學研究所福建泉州362332）

環境問題已經成為全球最為關注的問題，而其中最為突出的水污染問題。因此，廢水的處理顯的尤為重要。文章以活性炭做對比，探討利用氯化鈉作為改性試劑處理頁巖陶粒，進行生活污水的脫氮研究。由實驗數據表明，頁巖陶粒最佳改性氯化鈉濃度是9%，最佳固液比是1:10，最佳改性溫度和時間分別為70℃和4小時。

頁巖陶粒；氨氮；去除率；氯化鈉

1 前言

隨著國家對工業和農業的逐漸重視和大量氨氮廢水的排放，使得水資源的短缺也在日益加劇。據統計，我國工農業廢水排出量就占了全部廢水總量的65%以上，且很多工廠都未對含氮污水進行處理，便排入水環境中。面對當前嚴峻的情勢，將廢水轉化為可飲用的淡水資源是全世界科研人員必須解決的一項研究[1-2]。中國對污水的治理大部分采取活性炭吸附，盡管多孔型活性炭吸附效果很好，但活性炭成本較高，使用時間不長。頁巖陶粒又稱膨脹頁巖，它的比表面積很大、孔穴多、適合微生物繁殖、成本很低等優點，使其在污水的深度處理中得到了廣泛應用[3-4]。頁巖陶粒的構造開放性大，它的空隙中占據著礦物質離子和H2O分子，所以擁有很好的離子交換特性，這給它成為吸附材料奠定了基礎。頁巖陶粒具有密度小、質量輕、耐性好、耐腐蝕等特點．在很多地方可以取代活性炭成為新型的吸附劑。

目前國內有很多人進行如何除去水中氨氮的研究，有利用活性炭、頁巖陶粒等多孔型材料為主體進行脫氮研究。利用活性炭進行脫氮的效果很好，但是由于價格、壽命等原因，注定不能成為首要選擇。

于是，國內外很多科研機構開展了以頁巖陶粒為基質的研究，且曝氣生物濾池的超高脫氮率給許多科研人員信心，也預示著頁巖陶粒的前景是可期的。

前期研究表明，活性炭對于水的處理效果很好，但是活性炭成本高，不適合大范圍使用。由于頁巖陶粒具有良好的再生性、低廉的成本等特點，因此，選定頁巖陶粒作為實驗的目標,活性炭作為對比材料。利用NaCl對活性炭和陶粒改性處理，使之成為鈉型材料[5-6]，對氨氮具有較高的吸附交換量，并且對它的去除趨勢進行研究。

2 實驗材料和方法

2.1 實驗材料

活性炭：天津福晨化學試劑廠

頁巖陶粒：湖北青碧環保有限公司

2.2 實驗方法

2.2.1 氨氮工作曲線的繪制

利用國際標準方法測量氨氮。取8個50mL具塞比色管中，分別加入0、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、7.0、10.0mL氨氮標準使用液，然后稀釋至刻度，搖勻。再加入1mLC4O6H4KNa，震蕩。加入1.0mL納氏試劑搖勻。靜置10m in后，進行比色。測吸光度，描繪工作標準曲線。為便于分析，將工作曲線置于此處。如圖1所示：

2.2.2 預處理

為了保證實驗所用陶粒有代表性，挑選大小適中的頁巖陶粒和活性炭，用清水進行反復洗，至出水變清后，在4%～6%工業鹽酸中活化6h后，排出活化液，在蒸餾水中清洗，直到中性。烘干備用。

2.2.3 測試項目

預處理之后，以活性炭做為對比材料，研究頁巖陶粒的改性的最佳濃度、最佳固液比、最佳改性時間、最佳改性溫度。

圖1 氨氮工作曲線

3 結果與討論

3.1 最佳氯化鈉改性的濃度

圖2為最佳NaCl濃度曲線。由圖2表明：改性頁巖陶粒對氨氮的去除效果明顯改善，且在一定范圍內隨著氯化鈉質量分數的增加而升高[7]。當氯化鈉質量分數在3%-9%時，材料的去除效果呈上漲趨勢；當NaCl濃度繼續提高，氨氮的吸附率不再提升，趨于平緩。

氯化鈉濃度從0上升3%，Na+置換材料表面的Ca、Mg等半徑較大的陽離子增多，使得材料表面變粗糙，吸附孔徑變小，但仍比NH+的半徑大，比表面積變大，交換的體積容量增加，從而顯著提高材料的吸附性能[5-7]。頁巖陶粒的氨氮去除率上升趨勢比活性炭快，這是由于濃度低的時候，Na+只在材料表面進行置換，而活性炭是微孔吸附，一旦堵住了微孔，就影響到了氨氮的吸附。當氯化鈉溶液的濃度繼續增加時，由于Na+要進入材料內部置換材料內部的大半徑的陽離子，交換速度會下降，改性比較緩慢，因此當氯化鈉質量分數為3%～9%時，氨氮吸附量增加速度減緩。活性炭的氨氮去除率略低于頁巖陶粒，因為頁巖陶粒不止存在物理吸附，還有化學吸附。當氯化鈉濃度超過9%以后，由于Na+交換的離子量一定，達到飽和，濃度的增加并不能提高氨氮去除率，所以去除率達到最高值后趨于平緩，活性炭的去除率小于頁巖陶粒。因此，當氯化鈉濃度為9%時，頁巖陶粒和活性碳的氨氮去除率最大，分別為89.97%和85.82%。

圖2 最佳NaCl濃度曲線

圖3 最佳固液比曲線

3.2 最佳固液比（質量比）

圖3為最佳固液比曲線。由圖2表明：材料投放量和去除效果有關系[9-10]。固液比從1∶40增長到1∶13，氨氮吸附率慢慢減小。當固液比加至1∶10，氨氮的吸附效果略微變好。當固液比加至1∶8，氨氮吸附效果顯著下降。

隨著頁巖陶粒和活性炭投放量的增加，由于Na+置換頁巖陶粒孔穴中的Ca2+、Mg2+，使頁巖陶粒去除氨氮效果變好，但這也使得Na+成為一個限制因素，投放量越多，材料中得到Na+變少，影響改性成效。當投放量達到1∶13～1∶10時，下降趨勢變得平緩，這是由于Na+置換材料中的大半徑的陽離子數差不多，對材料的改性效果差不多。當固液比增加到1∶8時，留在材料中的Na+大大減少，影響到材料對氨氮的吸附，所以氨氮吸附率顯著下降。從整體趨勢上看，活性炭的氨氮去除率都是略高于頁巖陶粒，這是因為相同質量的情況下，活性炭的比表面積大于頁巖陶粒，氨氮的吸附量也多于頁巖陶粒。因此，利用9%氯化鈉溶液對頁巖陶粒和活性炭，當固液比為1∶40時，兩者氨氮去除效果最好，分別達到42.38%和46.66%。但是從經濟環保方面考慮，加大單次材料改性的量，選取20.00g的材料進行改性是最實惠的，因此最佳固液比為1∶10。

圖4 最佳改性時間曲線

3.3 最佳改性時間

圖4為最佳改性時間曲線。實驗結果由圖4表明：時間變長，材料吸附效果也隨之變好[11-12]。當延長到4.0h，氨氮吸附量顯著升高，去除效果最好；再加長時間，氨氮的吸附效果不再變好。

改性時間從2h增加到4h，Na+置換頁巖陶粒和活性碳孔穴中的Ca2+、Mg2+越多，改性成效越好，材料的去除效果顯著變好。當改性時間繼續延長后，可與Na+交換的離子量一定，達到飽和，改性時間的增加并不能提高氨氮去除率，所以氨氮去除率達到最大值后趨于平緩。從整體趨勢上看，活性炭的氨氮去除率都是略高于頁巖陶粒，這是因為相同質量的情況下，活性炭的比表面積大于頁巖陶粒，氨氮的吸附量也多于頁巖陶粒。因此，利用9%氯化鈉溶液改性20g頁巖陶粒和活性炭，當時間為4h時，頁巖陶粒和活性炭的氨氮去除率最高，分別為68.25%和73.25%。

3.4 最佳改性溫度

圖5為最佳改性溫度曲線。由實驗結果表明：溫度是一個重要因素。升高溫度，材料的去除效果變好；加至70℃，材料的吸附效果最好；繼續拔高溫度，材料的吸附效果不再變好，慢慢趨向平緩。

隨著溫度的上升，離子的熱運動速度越快，Na+與Ca2+、Mg2+相遇的次數也隨之增加，加快Na+與Ca2+、Mg2+交換，使材料的氨氮去除效果變好。但是溫度過高，Na+的吸附強度會降低，吸附在孔穴中的Na+量變少，使得氨氮去除率趨于平緩，甚至略微下降。溫度從30℃增加80℃，活性炭對氨氮吸附率的上升趨勢比頁巖陶粒快，溫度越高，離子的移動速度越快，活性炭吸附運動的分子比吸附不運動的分子更快，改性效果更好。因此，利用9%氯化鈉溶液改性20g頁巖陶粒和活性炭，時間為4.0h，當改性溫度為70℃時，頁巖陶粒氨氮吸附效果最好，達到75.73%，當溫度為80℃（在實驗溫度范圍內）時，活性炭的去除率最好，達到79.13%。

圖5 最佳改性溫度曲線

4 結語

利用氯化鈉改性頁巖陶粒提高了活性，與未改性的頁巖陶粒相比，改性頁巖陶粒的氨氮去除率顯著提升。最佳氯化鈉質量分數為9%時，頁巖陶粒和活性炭的氨氮去除率可達89.97%和85.32%。最佳固液比為1∶10，頁巖陶粒和活性炭的氨氮的吸附效果分別達到39.88%和43.89%。最佳改性時間為4.0h時，頁巖陶粒和活性炭的氨氮吸附率分別為68.75%和73.25%。最佳改性溫度為70℃，頁巖陶粒的氨氮吸附率可達78.36%。因此可得結論，頁巖陶粒在用氯化鈉改性去除氨氮方面具有更高的性價比。

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省級實驗教學示范中心項目（SYSF12001），省級大學生校外實踐教育基地項目（XWSJ12002）,福建省大學生創新性實驗項目（NO.201512992008）。

楊文卿（1983—）男，講師，從事固廢廢物高值化方面的研究。