[凹凸棒,石鐵,氫氧化物]凹凸棒石鐵／鋁氫氧化物納米復(fù)合材料對磷的吸附動力學(xué)研究

1、凹凸棒石鐵/鋁氫氧化物納米復(fù)合材料對磷的吸附動力學(xué)研究近年來，水體的富營養(yǎng)化問題已經(jīng)是全球面臨的嚴(yán)峻的水污染問題之一。水體富營養(yǎng)化， 藻類過量繁殖引起水質(zhì)惡化、湖泊退化，嚴(yán)重破壞了水體生態(tài)環(huán)境，威脅水生生物的生存和 人類健康。由于磷是藻類細(xì)胞中的必需元素，并且磷是藻類增殖的最重要限制因素，因此， 控制含磷廢水的排放是解決受納水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵。然而，各類廢水經(jīng)處理后，即使磷的 濃度達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 89781996, 0.5 mg/L),仍比地表水環(huán)境質(zhì)量二類標(biāo)準(zhǔn)(GB 38382002, 0. 0025 mg/L)高20倍，不足以有效遏制水體富營養(yǎng)化的發(fā)生。目前廢水處理工藝中常用的除磷

2、方法主要是生物法、化學(xué)沉淀法和吸附法。生物法除璘 是基于噬磷菌在好氧及厭氧條件下攝取及釋放磷的原理，通過好氧-厭氧的交替運(yùn)行實現(xiàn)生 物除磷。但是，生物除磷工藝的運(yùn)行操作條件受到環(huán)境條件的限制，運(yùn)行穩(wěn)定性較差，對廢 水中有機(jī)物濃度(B0D)依賴性強(qiáng)，難以深度去除水中的磷。并且生物法除磷會產(chǎn)生含磷的剩余 污泥，需要進(jìn)一步濃縮、脫水?；瘜W(xué)沉淀法除磷需要投加鐵、鋁鹽沉淀劑，雖能達(dá)到較高的 出水要求，但因使用金屬鹽使得出水的色度大，鐵、鋁的磷酸鹽很難從水中沉淀去除，需要 嚴(yán)格的過濾措施，并且化學(xué)沉淀法很難處理低濃度的含磷廢水。吸附法除磷因工藝簡單，運(yùn) 行可靠，可以作為生物除磷法的必要補(bǔ)充，也可以作為單獨(dú)

3、的除磷手段。吸附法除磷要求吸附劑應(yīng)具備高吸附容量、高選擇性、吸附劑再生容易、性能穩(wěn)定、原 料廉價易得等特點。天然的吸附劑如沸石、方解石、膨潤土、蒙脫石、蛭石等天然礦物材料， 雖成本低廉易得，但是對磷的吸附容量比較低，尤其是針對低濃度含磷廢水的深度處理效果 不好。凹凸棒石因廉價易得且具有良好的吸附性能在環(huán)境治理方面的研究也越來越多。凹凸 棒石是鏈層狀含鎂鋁硅酸鹽黏上礦物，具有獨(dú)特的棒狀晶體結(jié)構(gòu)，其晶體直徑約為40 nm, 具有較大的比表面積以及良好的吸附性能。凹凸棒石表面帶負(fù)電荷，具有較高的化學(xué)活性， 能夠誘導(dǎo)金屬鹽沉淀(如：鐵鹽、鋁鹽)以及正負(fù)膠體顆粒相互作用形成高分散的凹凸棒石納 米復(fù)合體。

4、本實驗將鐵/鋁氫氧化物負(fù)載在凹凸棒石表而，制備具有高分散特性的納米復(fù)合材 料作為磷的吸附劑，通過吸附動力學(xué)試驗探究其吸附機(jī)理，為水體富營養(yǎng)化防治提供一種新 思路、新方法。1材料與方法1.1材料制備實驗所用的凹凸棒石購買自江蘇南大紫金科技有限公司。通過鐵鹽、鋁鹽在凹凸棒石表 面誘導(dǎo)沉淀制備3種具備高分散特性的凹凸棒石7鐵鋁氫氧化物納米復(fù)合材料，其具體制備 流程已在文獻(xiàn)中敘述。使用KH2P04溶解于純水中配置模擬含磷污水。實驗所用其他藥品均 為分析純。1. 2測試方法使用鋸酸鍍分光光度法測定磷酸鹽的濃度；日本島津1800型X射線熒光(XRF)分析儀 分析物質(zhì)的化學(xué)組成;X射線衍射(XRD)分析使用

5、日本理學(xué)D/Max-rB型X射線衍射儀，銅 靶，電壓40 kV,電流100 mA,掃描速度6/min。2結(jié)果與討論2.1 納米復(fù)合材料表征天然凹凸棒石和納米復(fù)合材料的化學(xué)組成采用XRF分析測定(表1),元素的含量以最高 氧化態(tài)的百分比表示。制備的3種納米復(fù)合吸附劑PNCM I中A1203的含量、 PNCMH中Fe203的含量、以及PNCM III中A1203和Fe203的含量均明顯增加。XRF的分析 結(jié)果結(jié)合前期的研究表明鐵/鋁氫氧化物能夠成功負(fù)載在凹凸棒石上。2.2 不同溫度下吸附磷動力學(xué)不同溫度3種PNCM吸附磷的影響。實驗結(jié)果表明，PNCM對磷的吸附在不同的溫度下反 應(yīng)進(jìn)行的都很快，在1

6、 h后基本達(dá)到吸附平衡，曲線趨于平坦。從圖2b、c可以看出，3 種材料對磷的吸附量隨著溫度的升高變化不明顯。PNCM【較其他兩種材料對磷的吸附量最大, 原因是A1P04的溶度積(Ksp=5. 810-21)和FeP04的溶度積(Ksp=9. 9110-16)相差105倍,即 A1P01比FeP04容易沉淀，從而使得PNCM I更容易吸附磷。2.3 不同的磷的初始濃度下吸附磷的動力學(xué)不同磷的初始濃度下PNCM吸附磷的反應(yīng)動力學(xué)。實驗結(jié)果表明，3種PNCM對于不同 濃度磷的吸附反應(yīng)進(jìn)行的都很快，在1 h后基本達(dá)到吸附平衡，曲線趨于平坦。當(dāng)磷酸根濃 度不斷增大時，增加了吸附劑與磷的接觸碰撞幾率，從而

7、吸附劑對磷的吸附量增大。分別用準(zhǔn)一級動力學(xué)方程和準(zhǔn)二級動力學(xué)方程對不同磷的初始濃度的PNCM吸附磷的動 力學(xué)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如表3所示。從表3看出，3種吸附劑對磷的實際吸附量(ql)、 理論吸附量(q2)和初始吸附速率(h)均隨著磷的初始濃度的增大而增大，這個結(jié)果跟 Mezenner等2相符合。其中PNCM【對磷的吸附量較其他兩種最大。當(dāng)磷的初始濃度為50 mg/L時，PNCM【對磷的理論吸附量為18. 182 mg/g,均大于傳統(tǒng)的吸附劑石英砂(最大吸附 量為0. 08 mg為19)和活性炭(最大吸附量為7.80 mg為20) ,從表3看出，3種吸附劑 對磷的吸附在準(zhǔn)二級動力學(xué)方程線性擬合的相關(guān)系數(shù)高于準(zhǔn)一級動力學(xué)方程線性擬合的相關(guān) 系數(shù)，因此3種吸附劑對磷的吸附動力學(xué)擬合更符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型，這與上面得到的 結(jié)論相同，也與其他吸附除磷的動力學(xué)研究結(jié)果一致。3結(jié)論(1)通過對3種吸附劑表征分析，制備的3種納米復(fù)合材料吸附劑鐵/鋁氫氧化物成功 負(fù)載在凹凸棒石的表面形成納米顆粒，并且未改變凹凸棒石載體的晶體結(jié)構(gòu)；(2)溫度對于3種吸附劑吸附磷的動力學(xué)參數(shù)影響不顯著。