高效除磷吸附劑的制備

王穎

摘 要：近年來，隨著湖泊和各海域水體富養化的現象日益嚴重，水體中氮磷含量嚴重超標，給水體中生物帶來了毀滅性的災難，同時人們的生活環境也受到嚴重影響。為了凈化水體的氮和磷，越來越多的除磷方法應用到實際中。該實驗主要采用吸附法以凹凸棒土為載體、負載氧化氯鋯、氯化鈰制備高效除磷吸附劑。對新制的吸附劑進行了除磷的吸附試驗，并對其吸附性能進行了評價。

關鍵詞：吸附劑 凹凸棒土 氧氯化鋯 氯化鈰

中圖分類號：X703.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（a）-0134-02

水體富營養化主要是由于水體中氮磷含量超標，進而造成河水發生水華和海水發生赤潮的最重要因素。工業廢水、生活污水、化肥、農藥的使用是氮和磷超標的主要因素。富營養化水體被普遍認為是劣質水體。惡化水源水質，增加給水處理難度和成本，劣質水體作為供水水源時，會給凈水廠的正常運行帶來一系列問題，如增加水處理費用、降低處理效果和產水率等。而且遭受富營養化污染的水體在一定條件下因厭氧作用產生硫化氫、甲烷、氨氣等有毒有害氣體，給水處理增加相當的技術難度。

隨著人們對生態環境重視程度的提高，面對嚴重的問題，越來越多的除磷方法應用到實際中。目前許多學者把注意力集中到吸附劑上，其優點在于可同時吸附廢水中的兩種或多種離子來凈化水體。此實驗采用吸附法，對水中的亞硝酸根及磷酸根進行吸附。

1 吸附實驗

1.1 吸附劑的選取

吸附法關鍵在于吸附劑。吸附劑種類很多，其主要特征是多孔結構和具有很大的比表面。工業上常用的吸附劑的比表面約為300～1200 m/g。吸附劑性能不僅取決于其化學組成，而且與制造方法有關。高效的吸附劑應具備：選擇性好；吸附容量高；抗離子干擾；吸附速率快；再生容易，穩定性好；無毒；原料經濟廉價。所以該實驗采用凹凸棒土為主要原料，在高溫下進行灼燒得到粒狀的無機復合物。該復合物對水體中的磷具有很好的吸附性。

1.2 實驗原理

此實驗采用凹凸棒土與氧氯化鋯、氯化鈰混合在一定溫度下經焙燒制備無機復合物吸附劑。用以吸附模擬水中的磷酸鹽與亞硝酸鹽，其機理是：該復合物以凹凸棒土為載體，通過加入氧氯化鋯及氯化鈰使其表面生成活性較高的水合氧化鋯及水合氧化鈰，從而形成羥基化表面，羥基可以與水中的磷酸根及亞硝酸根離子進行交換，起到去除作用。根據水合金屬氧化物在水體中吸附陰離子的主要機理是陰離子配位體的交換，可以推測附亞硝酸根離子與磷酸根離子的反應式如下：

Ce-OH+H++NO2- →Ce-NO2-+H2O

2Zr-OH+2H++PO43-→（2Zr-）PO4-+2H2O

Zr-OH+2H++PO43-→Zr-HPO4-+H2O

Zr-OH+3H++PO43-→Zr-H2PO4+H2O

Zr-OH+3H++PO43-→（2Zr-）HPO4+H2O

這樣磷酸根離子與亞硝酸根離子就被吸附到吸附劑上了。高溫焙燒可以脫去凹凸棒土中的吸附水、沸石水、部分結晶水以及八面體中的結構水，造成晶格內部和沸石孔道中斷鍵，增加活性中心，使其雜亂堆積的針棒狀團變得疏松多孔，增加孔隙容積和比表面積。但焙燒溫度不易過高，否則會引起凹土孔徑塌陷、纖維束堆積，針狀纖維束緊密燒結在一起，孔隙容積和比表面積減小，致使吸附能力減弱。

1.3 吸附劑吸附性能的評價方法

每次取吸附劑0.2 g，放入小錐形瓶，再加入適量模擬水，30 mL濃度為25 mg/L的亞硝酸根離子溶液和30 mL濃度為25 mg/L的磷酸根離子溶液，于小錐形瓶中在相應的條件下進行吸附。吸附完畢，用756型紫外可見分光光度計測量上清液的吸光度，根據附錄換算出吸附容量。

1.4 吸附劑的制備及制備條件的討論

（1） 稱取適量的氧氯化鋯和氯化鈰，分別配成含鋯量與含鈰量為1%、2%、3%、4%的溶液并置于容量瓶中。

（2）鋯與鈰的含量對吸附劑的影響。

取1%的氧氯化鋯和4%的氯化鈰、2%的氧氯化鋯和3%的氯化鈰，3%的氧氯化鋯和2%的氯化鈰，4%的氧氯化鋯和1%的氯化鈰的混合液15 mL于小燒杯中，分別加入4 g凹凸棒土（0.45 mm）與其中混合，攪勻。再將1.5 mol/L的NaOH溶液滴加到其中，使混合物pH在10～11，得到糊狀的混合物。將過濾后的物質用蒸發皿在電熱套上蒸發成固體物質。轉入自動調溫烘箱于200 ℃下焙燒兩個小時，即可得到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4種鋯、鈰含量不同的粒狀吸附劑。

取4份模擬水于小錐形瓶中，分別放入吸附劑0.2 g，充分混勻，在室溫下于搖床上進行振蕩吸附4 h。吸附完畢后測其吸光度。其結果表1。

由表1可以看出，在吸附劑濃度不同的情況下，吸附容量隨著鋯含量增大（鈰含量減小）而減小，在鋯含量為2%、鈰含量為3%時，對磷酸根的吸附容量達到最大，對亞硝酸根的吸附容量也較為大。顯然，為了使吸附劑能較多地吸附水中的氮和磷，選擇含鋯量為2%、含鈰量為3%的吸附劑吸附效果較佳。所以在以后的試驗中選擇這樣的吸附劑為研究對象。

（3）焙燒時間對吸附劑的影響。

取以上實驗中配比好的吸附劑，轉入自動調溫烘箱于200 ℃下焙燒1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h，研磨、篩選得到粒狀的吸附劑。

取5份模擬水于小錐形瓶中，分別放入上步制備好的吸附劑0.2 g，充分混勻，在室溫下于搖床上進行振蕩吸附4 h。吸附完畢后測其吸光度。其結果見表2。

由表2可以看出，在吸附劑焙燒時間不同的情況下，開始時吸附劑吸附容量隨焙燒時間增長而增大，當吸附劑焙燒時間高于2h時，吸附容量開始下降，這主要是因為焙燒時間過長容易造成凹凸棒土表面結晶水的喪失，從而影響水和氧化物的生成，進一步影響吸附效果，減少吸附容量。當焙燒時間為2 h時，兩離子的吸附容量達到最大。所以，焙燒2 h最佳。

（4）焙燒溫度對吸附劑的影響。

取以上實驗中配比好的吸附劑，轉入自動調溫烘箱于150 ℃、190 ℃、230 ℃、250 ℃下焙燒2 h，即可得到粒狀的吸附劑。取出研磨、過篩得到顆粒狀吸附劑。

取4份模擬水于小錐形瓶中，分別放入上步制備好的吸附劑0.2 g，充分混勻，在室溫下于搖床上進行振蕩吸附4 h。吸附完畢后測其吸光度。其結果見表3。

由表3可以看出，在吸附劑焙燒溫度不同的情況下，吸附劑的吸附容量隨著焙燒溫度的升高而增大，在焙燒溫度為250 ℃時，吸附劑的吸附容量最大。

2 結論

此實驗采用了凹凸棒土和氧氯化鋯計氯化鈰為主要原料制備除磷吸附劑。通過實驗總結，該吸附劑的最佳制備方案是：

（1）含鋯量2%與含鈰量3%的溶液制成的吸附劑。

（2）最佳焙燒溫度為250 ℃。

（3）最佳焙燒時間為2 h。

參考文獻

[1] 樸承俊，王宏山，瞿春艷，等.水體富營養化現狀及對策分析[J].煤炭技術2008，27（8）：134-136.

[2] 李川，李秋紅.人工濕地污水處理系統研究[J].甘肅水利水電技術，2009，45（2）：50-52.