固體材料對(duì)咸水中鈉離子吸附效果研究

李會(huì)俠，馬宏秀，樊 華，張開(kāi)祥，李萬(wàn)濤，王開(kāi)勇

(新疆石河子市石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832003)

在我國(guó)農(nóng)村，很多地區(qū)居民深受地質(zhì)的鹽堿、苦咸、高氟的困擾，華北平原淺層咸水資源達(dá)75 億m3，西北地區(qū) (新疆、甘肅、寧夏、陜西、青海、內(nèi)蒙古的部分地區(qū)) 咸水資源88.6 億m3[1]。其中，新疆有15.35 億m3地下水屬于苦(微)咸水[2]。苦咸水的高含鹽量不但對(duì)人體有極大的危害，而且對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)也有害[3-4]。苦咸水中的K+、Ca2+、Na+、Mg2+、CO2-3、HCO-3、SO2-4、Cl-、F-等離子濃度均高于正常值[5]。在水資源越來(lái)越緊缺的今天，非常規(guī)水資源開(kāi)發(fā)利用在水資源綜合管理體系中的地位越來(lái)越重要[6]。 現(xiàn)階段，解決淡水短缺問(wèn)題除了傳統(tǒng)的節(jié)約用水，廢水利用，遠(yuǎn)途調(diào)水等方法外[7]，海水淡化相關(guān)技術(shù)常被應(yīng)用于咸水、苦咸水的凈化中。目前，海水淡化技術(shù)主要分為兩大類：第一類是從海水中分離出淡水，如蒸餾法、冷凍法、溶劑萃取法和反滲透法等；另一類是從海水中析出各種化學(xué)元素，從而達(dá)到獲取淡水的目的，如電滲析法、離子交換法等。上述海水淡化方法雖然脫鹽效果好，不污染環(huán)境，但仍有很多不足。如反滲透淡化技術(shù)在苦咸水淡化中雖已得到應(yīng)用，因其對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求嚴(yán)格，成本高昂，不利于普及和推廣。

水資源問(wèn)題一直是困惑新疆兵團(tuán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問(wèn)題，如果按可利用水資源總量0.7%的年開(kāi)采量，2015年以后新疆兵團(tuán)將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的水資源供給危機(jī)，這時(shí)可供水資源將滿足不了工業(yè)、農(nóng)業(yè)和綠化等用水需求[8]。新疆瑪納斯河流域灌溉水鹽化特征突出主要是由Cl-、SO2-4和Na++K+決定的[9]。有研究表明常規(guī)吸附條件下，活性炭、樹(shù)脂等7種單系統(tǒng)材料對(duì)鹽水中鈉離子有一定的吸附效果[10]，但該研究未涉及吸附時(shí)間及濃度梯度對(duì)吸附效果的影響。因此，本文主要根據(jù)普通吸附凈化技術(shù)，揭示不同震蕩吸附時(shí)間下材料對(duì)不同濃度范圍NaCl咸水中鈉離子吸附解吸機(jī)理，從而為水資源淡化及充分利用提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)材料及代碼見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)材料及代碼

1.2 吸附與脫附試驗(yàn)

(1)濾料預(yù)處理。首先在103 ℃條件下將供試材料烘1 h，以使其干燥并使材料表面可能存在的揮發(fā)性有機(jī)物揮發(fā)。并初步篩選出對(duì)鈉離子削減效果較好的材料編號(hào)為：1、2、3、4、5、6、7；具體名稱、代碼見(jiàn)表1。

(2)等溫吸附。按1∶10比例，稱取上述不同編號(hào)的濾料各10 g，置于250 mL容量瓶中，分別加入濃度為3、7、11 g/L的NaCl鹽水100 mL，在25 ℃恒溫下振蕩 0.5、1、2、4 h后靜置，測(cè)定濾液鈉離子濃度，每個(gè)處理3次重復(fù)。根據(jù)鈉離子濃度計(jì)算吸附容量及方程擬合，以材料對(duì)Na+的吸附量和Na+的平衡濃度之間建立Langmuir方程，該方程特征參數(shù)為吸附能力的預(yù)測(cè)提供了重要參數(shù)[11，12]。Langmuir方程線性表達(dá)式為：

Ce=qm(Ce/qe)-KL

(1)

式中：Ce為吸附平衡時(shí)溶液中吸附質(zhì)的濃度，mmol/L；qe為吸附平衡時(shí)吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附量，mg/g；qm為吸附劑表面對(duì)吸附質(zhì)的最大吸附量，mg/g；KL為L(zhǎng)angmuir吸附常數(shù)，表征吸附能力的強(qiáng)弱，給定吸附體系，KL值只與溫度有關(guān)，與吸附質(zhì)和吸附劑濃度無(wú)關(guān)[13]。

(3)脫附試驗(yàn).將等溫吸附試驗(yàn)后的濾料500 mL去離子水直接淋洗，測(cè)定淋洗液中鈉離子濃度，計(jì)算脫附率、分析初始吸附時(shí)間與脫附的關(guān)系。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

采用 SPSS 20. 0和 Excel 2013對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、多重比較和方程擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 過(guò)濾系統(tǒng)的吸附曲線

2.1.1 不同濃度鹽水對(duì)濾料原始吸附效果的影響

吸附率用來(lái)描述不同濃度梯度下吸附材料對(duì)NaCl鹽溶液的吸附效果。常規(guī)吸附條件下，7種單系統(tǒng)材料對(duì)鹽水中鈉離子有一定的吸附效果。 圖1為吸附時(shí)間和不同濃度梯度對(duì)NaCl溶液吸附效果影響，吸附時(shí)間分別為0.5、1、2、4 h。總體而言，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，吸附效果逐漸降低；隨著濃度的增大，吸附效果逐漸下降。

圖1 吸附時(shí)間、初始濃度對(duì)NaCl溶液吸附效果的影響

由圖1(a)可以看出，不同濃度NaCl溶液分別對(duì)7種單系統(tǒng)材料震蕩吸附0.5 h，吸附效果以3 g/L最佳(p<0.05)，其次是7 g/L(p<0.05)，最后是11 g/L(p<0.05)。最大吸附率為材料YK對(duì)3 g/L NaCl溶液的吸附，值為40.28%。由圖1(b)和圖1(c)可知，震蕩吸附1、2 h，最佳吸附效果與圖1(a)一致，YK對(duì)3 g/L NaCl溶液的吸附率分別為30.21%、18.56%。圖1(d)表明，吸附時(shí)間為4 h時(shí)，GK對(duì)3 g/L NaCl溶液的吸附效果最好，其次是YK。

2.1.2 鹽基離子吸附方程及參數(shù)

根據(jù)方程式(1)對(duì)Ce/qe、Ce進(jìn)行線性擬合，其中x、y分別代表Ce/qe、Ce。由表2知，給定吸附劑濃度水平下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Langmuir方程擬合的相關(guān)性較好，吸附行為可用Langmuir方程來(lái)描述。7種單系統(tǒng)材料方程擬合度均達(dá)到極顯著水平。以材料ZC為例，其對(duì)NaCl溶液中Na+的最大吸附量qm為14.58 mg/g，吸附常數(shù)KL為3.79，決定系數(shù)R2為0.863。

表2 不同材料鈉離子Langmuir吸附等溫方程參數(shù)

2.2 脫附效果分析

2.2.1 初始濃度對(duì)脫附率的影響

脫附為吸附的逆過(guò)程，適度的脫附性能有利于材料的循環(huán)利用。由圖2可以看出，脫附率隨初始吸附時(shí)間延長(zhǎng)和NaCl溶液濃度增加而增大。圖2(a)～圖2(c)均表明，脫附率最小值出現(xiàn)在對(duì)3 g/L NaCl溶液吸附0.5、1、2 h后的材料中，圖2(a)中脫附效果由小到大依次為材料6號(hào)BTC、1號(hào) ZC、3號(hào)GK、4號(hào)H、7號(hào)JQ、2號(hào)YK、5號(hào)HBYX，脫附率分別為2.18%、2.95%、5.44%、5.89%、5.89%、6.52%、9.61%(p<0.05)；圖2(b)中脫附效果由小到大依次為材料6號(hào)BTC、1號(hào) ZC、2號(hào)YK、3號(hào)GK、5號(hào)HBYX、7號(hào)JQ、4號(hào)H, 脫附率分別為3.14%、 8.64%、 8.77%、11.49%、15.02%、 15.29%、15.92%(p<0.05)；圖2(c)中脫附效果由小到大依次為材料6號(hào)BTC、1號(hào) ZC 、2號(hào)YK、3號(hào)GK、5號(hào)HBYX、4號(hào)H、7號(hào)JQ，脫附率分別為9.72%、12.51%、19.77%、22.02%、27.53%、33.09%、75.20%(p<0.05)。由圖2(d)可知在不同NaCl溶液濃度梯度下脫附率均較大，說(shuō)明吸附效果與脫附成反比關(guān)系變化，即吸附率越大，脫附率越小，反之越大。

圖2 初始濃度對(duì)脫附率的影響

2.2.2 不同材料鈉離子脫附方程及參數(shù)

初始吸附時(shí)間t為0.5、 1、 2、 4 h， 將對(duì)應(yīng)吸附時(shí)間下材料的脫附率與之用一次方程擬合由表3可以看出， 7種單系統(tǒng)材料脫附率與初始吸附時(shí)間t呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)性。 擬合度最好的材料依次為： H > HBYX > GK > YK > ZC > BTC > JQ。

3 討 論

7種單系統(tǒng)材料對(duì)NaCl溶液中Na+均具有較好的吸附效果。通過(guò)吸附與脫附試驗(yàn)綜合分析，效果最好的材料為活性炭類(YK、GK)，其次是樹(shù)脂類(H、HBYX)，其他單系統(tǒng)材料在實(shí)際應(yīng)用中還需嚴(yán)格控制吸附時(shí)間和初始溶液鹽基離子濃度。有研究表明[14]活性炭作為一種環(huán)境友好型吸附劑，具有較強(qiáng)的吸附性和催化性能。活性炭類綜合吸附能力較強(qiáng)，擬合方程后R2達(dá)0.9以上，究其原因可能是供試活性炭比表面積較大，空隙多而不均，這與李自航[15]等人的研究活性炭的孔結(jié)構(gòu)對(duì)溶液中 Hg2+的吸附性能影響較大，其中比表面積高，中孔比例大的活性炭對(duì)Hg2+的吸附能力較強(qiáng)相類似。樹(shù)脂類單系統(tǒng)材料對(duì)NaCl溶液中Na+的吸附效果較好，吸附接近極限水平時(shí)也較易被脫附，利于實(shí)際運(yùn)用。有學(xué)者認(rèn)為[16]在處理含有大量Ca2+、 Mg2+、Na+、SO2-4和Cl-等離子的實(shí)際重金屬?gòu)U水時(shí), 離子交換樹(shù)脂對(duì)重金屬的去除極易受這些共存離子的干擾, 導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。本試驗(yàn)中樹(shù)脂類吸附效果好原因很可能是模擬鹽水中無(wú)干擾離子。

表3 不同材料鈉離子脫附方程參數(shù)

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)當(dāng)料液比為1∶10時(shí)，7種單系統(tǒng)材料的吸附效果隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，隨著溶液濃度的升高而下降。材料對(duì)不同梯度NaCl溶液的吸附效果依次是：3 g/L>7 g/L>11 g/L。

(2)給定吸附劑濃度水平下7種單系統(tǒng)材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Langmuir方程擬合的相關(guān)性很好，規(guī)律呈現(xiàn)為吸附率越大R2越大。

(3)脫附試驗(yàn)結(jié)果表明，各材料脫附率隨吸附初始濃度的增大而增大，且對(duì)應(yīng)吸附率越大脫附效果越差。

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