改性富鎂礦石對自來水中余氯吸附性能研究

曾梓孌

（桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西 桂林 541000）

氯制劑成本低廉，氧化性能強，可提供整個供水配水系統中殘余氯的最低濃度，防止微生物的再污染[1]。因此，氯化消毒在很多消毒領域都被應用到。但氯制劑可與水中的天然有機化合物發生反應，產生三鹵甲烷、鹵乙酸、鹵代烷、鹵代呋喃酮等消毒副產物。這些消毒副產物不僅影響水的味道和氣味，同時對人體健康造成的威脅，如致癌性、致畸性、致突變性[2]。目前，自來水余氯去除的方法包括活性炭吸附法[3，4]，高純度銅鋅合金過濾介質氧化還原法[5]和改性樹脂法。但這些方法價格昂貴、操作復雜、二次污染等一系列問題，因此難以得到推廣利用。

滑石屬于富鎂的層狀礦物（Mg3(Si4O10)(OH)2）。本項目擬采用富鎂礦石、碳酸鈣等成本低廉、儲量豐富的天然礦物為主要原輔料制備改性富鎂滑石，用于去除自來水中的余氯，這對保障飲用水安全和提高飲用水礦質營養方面具有重要意義。

1 試驗

1.1 儀器與試劑

試劑：富鎂滑石( 200 目（0.045 μm）)，鹽酸N,N-二乙基對苯二胺（DPD），無水磷酸氫二鈉，無水磷二氫鉀，乙二胺四乙酸二鈉，碘化鉀(KI)，氯化汞(HgCl2)，硫代乙酰胺(CH3CSNH2)，硫代硫酸鈉(Na2S2O3)，無水碳酸鈉(Na2CO3)，重鉻酸鉀(K2Cr2O7, 基準級)，可溶性淀粉，冰乙酸(C2H4O2)，碳酸鈣(CaCO3,AR)，次氯酸鈉溶液(NaClO)，98% 濃硫酸,以上所用試劑均為分析純。四硼酸鈉(Na2B4O7·10H2O)，苯二甲酸氫鉀（HOOCC6H4COOK），鉬酸銨(H8MoN2O4)，二氧化硅(SiO2,高純)，草酸（H2C2O4），對硝基酚，高錳酸鉀（KMnO4），氯標準溶液(1000 mg/L )，硫酸溶液，鹽酸溶液。

1.2 改性富鎂滑石的制備

將過 200 目篩的富鎂滑石和石灰石樣品置于溫度為 1100℃烘箱中干燥 1 h 至恒重，然后分別將其按照 1：2 的摩爾質量比稱取相應質量的樣品，在球磨機中研磨混合，干燥，然后放入陶瓷坩堝，最后放入馬弗爐中，在規定溫度下烘烤一段時間，然后迅速取出，冷卻至室溫，然后研磨成樣品，放入包裝袋內保存，最后放入干燥器中進行保持。富鎂滑石組分比如下表。

表1 富鎂滑石元素分析數據/%

進行對比分析研究摩爾配比、焙燒溫度和焙燒時間等相關參數對這種水處理劑溶解度影響，在實驗研究過程中，按照 1g：250mL 的固液比用去離子水溶解，在150 r ·min-1～180 r·min-1水浴恒溫振蕩器中振蕩處理半小時接著干過濾，測定溶解度、pH、鈣和鎂、二氧化硅。改性富鎂滑石的制備流程見圖1。

圖1 改性富鎂滑石的制備流程

1.3 含氯水樣的配制

將次氯酸鈉溶液進行一百倍稀釋處理后保存在棕色容量瓶中，用碘量法[6]檢測其濃度，在其后實驗中，對余氯儲備液進行不同倍比稀釋而作為標品。

1.4 吸附實驗

準確的稱取 0.1 g 的目標吸附劑加入到二百五十毫升錐形瓶中，接著加入一百毫升余氯水溶液，進行充分的包裹遮光后放入水浴振蕩器中，一定溫度條件下振蕩后，取出并低速離心處理半小時。離心后所得上清液濾膜過濾，測定濾液中的余氯濃度。

1.5 余氯濃度的測定

根據《生活飲用水標準檢驗指標》相關標準，本文研究中選擇 N,N-二乙基對苯胺分光光度法進行檢測。

2 實驗分析與結果

2.1 吸附平衡等溫線擬合

吸附等溫曲線含義為一定條件下，溶質分子在兩相界面上處于吸附平衡條件下，其在兩相中濃度的相關性曲線，應用比例高的吸附等溫線模型有兩種，分別為 Langmuir 和 Freundlich 。本實驗根據余氯初始濃度在 4.1 mg·L-1～32.8mg·L-1范圍內的實驗數據進行 Freundlich 吸附平衡等溫線擬合，該實驗在實驗室溫度 25 ℃ 環境下進行[7]。

上世紀二十年代Freundlich吸附平衡方程被建立，其主要用于描述分析多層和非均勻吸附，對應表達式如下。

式中：

Qe—平衡吸附量

Ce—平衡吸附濃度

Kf—Freundlich常數

圖3是在 25 ℃ 的實驗溫度下，改性富鎂滑石吸附氯平衡時的濃度和平衡吸附量之間的關系圖。由圖3可知，平衡吸附量Qe 與 Ce 的值正相關。

圖2 Freundlich 吸附等溫線擬合

由擬合圖線可知，Freundlich 吸附等溫線擬合效果較好，由此可判斷出此吸附為非均勻性的。

2.2 吸附時間的影響

圖3說明了不同吸附時間對消除殘余氯的影響。由圖可知，在 0min 到 30 min 階段，余氯去除率隨著時間的增加而迅速增大，在 30 min 處達到最大值，然后迅速降低，最后逐漸趨于平緩，因而對比分析選擇最佳吸附時間為三十分鐘。

吸附劑活性中心會對去除率產生明顯影響，在吸附初期，液膜表面與吸附活性中心之間的濃度梯度較大，活性中心越多，剩余氯的去除率就越快[8]。由于吸附主要出現在吸附劑表面，因而吸附不強。

圖3 不同吸附時間對余氯去除率的影響

2.3 吸附劑投加量的影響

圖4顯示了余氯去除率和吸附劑加入量的相關性曲線，分析可知，在此過程中分別加入改性富鎂滑石到一百毫升初始濃度為 4.1 mg/L 的次氯酸鈉溶液中，在 25 ℃ 環境條件下，搖床 180 r/min 振蕩吸附 30 min，離心后取上層清液，測余氯濃度。從圖中可以看出，余氯去除率隨吸附劑投加量增加而增大，在投加量為 1.00 g 時余氯去除率達到最大值約 89%，在 1.00 g 之后，去除率開始有所下降，因此，1.00 g為最佳投加量[9]。

圖4 吸附劑投加量對余氯去除率的影響

3 結論

（1）改性富鎂礦石最佳制備條件：在馬弗爐中 1100 ℃ 焙燒2 小時，最佳物料配比為富鎂滑石：碳酸鈣=1:2。

（2）吸附時間 ，吸附劑投加量 1.00 g 為最佳吸附條件，此條件下去除率最高可達 89%。

（3）改性富鎂礦石吸附水中余氯性能用 Freundlich 擬合，擬合度高，因而可判斷出此吸附為非均勻性的。

（4）吸附劑的性質以及其吸附活性點會影響其余氯去除率。

（5）加入改性富鎂礦石后，自來水中余氯濃度大幅度降低，到。