天然沸石吸附氨氮特性研究

1、天然斜發(fā)沸石對(duì)水中氨氮吸附影響因素研究摘要：本實(shí)驗(yàn)研究了天然沸石對(duì)氨氮的吸附影響因素及機(jī)理，結(jié)果表明，沸石投加量為2g,粒徑由20目增加到100目時(shí)，其qe從0.341上升到0.512mg/g；沸石投加量1g,初始氨氮濃度10mg/L增大到100mg/L時(shí)，qe從0.112上升0.595mg/g；氨氮初始濃度為100mg/L,投加量為有1g增大到15g時(shí)，qe從0.595mg/g下降到0.268mg/g,；沸石吸附氨氮更適合用Langmuir吸附等溫線(xiàn)和準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行描述，其R2分別為0.997和0.998。關(guān)鍵詞：天然沸石；氨氮；吸附容量StudyonInfluencingFactor

2、sbyNaturalStelleriteAdsorptingAmmoniumDianbo-XuChinaRailwayFifthSurveyAndDesignInstituteGroupCo.,Ltd.Abstract:Thisstudyinvestigatedtheinfluencingfactorsandmechanismofnaturalzeoliteadsorptinammonianitrogen.Theresultsshowthat:zeolitedosage2gandparticlesizeincreasedfrom20meshto100mesh,qeincreasedfrom0.

3、341to0.512mg/g;zeolitedosage1g,initialammoniaconcentrationof10mg/Lincreasedto100mg/L,qerosesfrom0.112to0.595mg/g;ammoniainitialconcentrationis100mg/Landthedosagefrom1gincreasedto15g,qedecreasedfrom0.595mg/gto0.268mg/g;thezeoliteadsorbedammoniaismoresuitabletodescribeLangmuiradsorptionisothermandpseu

4、do-secondreactionkinetics,R2is0.997and0.998respectively.Keywords:NaturalStellerite;Ammonium;Adsorptioncapacity引言：近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快，化工廠廢水的過(guò)度排放，使得水體中的氮元素含量過(guò)多，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，已經(jīng)成為當(dāng)今世界面臨的全球性的重大環(huán)境問(wèn)題1。因此尋找一種有效去除水中氨氮的方法平迫在眉睫，沸石是一種含水的堿或堿土金屬的鋁硅酸鹽礦物，是由硅氧四面體和鋁氧四面體組成的架狀硅酸鹽2。具有比表面積大，吸附性能好，離子交換能力強(qiáng)，化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，對(duì)氨氮的去除有著較

5、好的效果。因此本文研究沸石對(duì)氨氮的吸附機(jī)理及影響因素，為沸石在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)資料和理論指導(dǎo)。1.實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)材料與預(yù)處理本實(shí)驗(yàn)所選用的天然斜發(fā)沸石購(gòu)于鞏義寶來(lái)水處理材料廠，顏色為黑褐色，其主要成分如表1所示表1天然斜發(fā)沸石主要化學(xué)成分含量表成分名稱(chēng)SiO2TiO2Al2O3Fe2O3FeOMgOCaOMnONaOk2o含量（）68.600.1012.431.210.130.812.570.061.082.83將沸石用去離子水反復(fù)沖洗干凈，煮沸30min以盡可能去除沸石空隙中雜質(zhì)，過(guò)篩分出不同粒徑的沸石，在105C下烘干，放入干燥器中備用。實(shí)驗(yàn)儀器、試劑與氨氮測(cè)定方法主要儀器：721分

6、光光度計(jì)；THZ-82A氣浴恒溫振蕩器；XYJ80-2電動(dòng)離心機(jī)。主要試劑：酒石酸鉀鈉（AR）；碘化汞（AR）；碘化鉀（AR）；氫氧化鈉（AR）；氯化銨（AR）。氨氮測(cè)定方法：采用納氏試劑光度法，水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）。試驗(yàn)方法沸石對(duì)氨氮的吸附影響因素本實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變沸石的粒徑大小，氨氮溶液的初始濃度、沸石的投加量等因素來(lái)研究沸石對(duì)氨氮的吸附效果，水樣為100ml，置于250ml具塞錐形瓶中，在25C下恒溫振蕩16個(gè)小時(shí)，轉(zhuǎn)速為200r/min。振蕩結(jié)束后，用離心機(jī)在3500r/min下離心20min后取上清液測(cè)定氨氮含量。吸附等溫線(xiàn)取1g粒徑為2030目的沸石投加到100m1濃度分別為

7、10、15、20、40、50、70、100mg/L的氨氮溶液中，在25C下恒溫振蕩16個(gè)小時(shí)，轉(zhuǎn)速為200r/min。振蕩結(jié)束后，用離心機(jī)在3500r/min下離心20min后取上清液測(cè)定氨氮含量。吸附動(dòng)力學(xué)取1g沸石粒徑為2030目的沸石投加到100ml濃度為100mg/L的氨氮溶液中，在25C、200r/min的條件下振蕩，每隔一定時(shí)間取樣測(cè)定水溶液中氨氮的含量。2結(jié)果與討論沸石對(duì)氨氮的吸附影響因素不同粒徑對(duì)氨氮的吸附研究稱(chēng)取2g粒徑為1020目、2030目、4060目和80100目的沸石于100ml含量為100mg/L的氨氮溶液中進(jìn)行振蕩，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。吸附容量圖1.不同粒徑沸石對(duì)

8、氨氮的吸附效果如圖1所示，隨著粒徑目數(shù)的增大，沸石對(duì)氨氮的吸附效果也越好，沸石吸附容量由1020目的0.341mg/g增加到80100目的0.512mg/g。這是由于一定質(zhì)量的沸石粒徑越小其比表面積也就越大，使吸附接觸面積增大3，從而增加了16對(duì)氨氮的吸附能力。氨氮初始濃度對(duì)吸附效果的影響取1g粒徑為2030目沸石置于100ml濃度為10mg/L、15mg/L、20mg/L、40mg/L、50mg/L、70mg/L、100mg/L的氨氮溶液中振蕩，結(jié)果如圖2所示。0.6吸附容量一一去除率20180020406080100氨氮初始濃度(mg/L)量容附吸2100543000A/g/gwv量容附吸

9、圖2不同氨氮初始濃度對(duì)吸附效果的影響如圖2所示，隨著初始氨氮濃度的增大，沸石對(duì)氨氮的吸附能力增強(qiáng)4,其吸附容量也隨之增大，初始氨氮濃度由10mg/L增大到100mg/L時(shí)，沸石的吸附容量也隨之從0.112mg/g升上到0.595mg/L，而對(duì)氨氮的去除率呈下降趨勢(shì)，由11.20%下降到5.94%。這是由于初始氨氮溶液的濃度越大，其固-液之間的電化學(xué)勢(shì)梯度也就越高，從而促進(jìn)對(duì)氨氮的吸附，但一定質(zhì)量的沸石其有效吸附容量是有限的，對(duì)高濃度氨氮溶液的去除率也會(huì)相應(yīng)減小2.1.3不同沸石投加量對(duì)吸附效果的影響稱(chēng)取1g、2g、5g、10g、15g粒徑為2030目的沸石分別置于100ml濃度為100mg/L

10、的氨氮溶液中振蕩，結(jié)果如圖3所示。050505056554433200000000量容附吸圖3不同沸石投加量對(duì)氨氮吸附效果的影響5050505044332211%（率除去如圖3所示，隨著沸石投加量的增大，其吸附容量隨之下降，當(dāng)沸石投加量由1g增加到15g時(shí)，其吸附容量由0.595mg/g減小到0.286mg/g,而對(duì)氨氮的去除率呈上升趨勢(shì)，由5.94%上升到42.97%。這是由于隨著沸石投加量的增加，其對(duì)氨氮吸附的有效接觸面積也大大增加，使得水中氨氮大幅度減少，但當(dāng)氨氮濃度減小的一定程度時(shí)，沸石-氨氮吸附體系便會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)，使得沸石無(wú)法繼續(xù)吸附剩余氨氮離子，造成吸附容量減小。2.2吸附等溫線(xiàn)

11、水處理中常見(jiàn)的吸附等溫線(xiàn)有兩種,一種是Langmuir吸附等溫線(xiàn),另一種是Freundlich吸附等溫線(xiàn)5。其中Langmuir吸附等溫線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)形式為qe=bqCe1+bCe1)，取倒數(shù)后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為111=+_qebceqm2)；Freundlich吸附等溫線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)式為q二KCem(3)，兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)變?yōu)?erlnq1e=Ince+InKnf4).用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)公式(2)和(4)進(jìn)行擬合，如圖4、圖5所示。圖4Langmuir吸附等溫線(xiàn)1.01.52.02.53.03.54.04.55.0lnce圖5Freundlich吸附等溫線(xiàn)對(duì)圖4和圖5進(jìn)行線(xiàn)性回歸可求出qm、b、0、n、R2等值，其結(jié)果見(jiàn)

12、表2，由表2可知，沸石對(duì)氨氮的吸附均可由Langmuir、Freundlich進(jìn)行描述，在Freundlich吸附等溫線(xiàn)中，1/n小于1,表明氨氮吸附容易進(jìn)行,Freundlich吸附等溫線(xiàn)擬合相關(guān)程度R2為0.977,小于Langmuir的相關(guān)系數(shù)0.997，因此沸石對(duì)氨氮的吸附特性更適合用Langmuir吸附等溫線(xiàn)描述。表2吸附等溫方程擬合值Langmuir擬合方程qm(mg/g)b(L/g)R2l/q.=69.89/ce+0.9371.0670.0140.997Freundlich擬合方程KfnR2lnqe=0.637lnce-3.3950.0341.5700.9772.3吸附動(dòng)力學(xué)由圖

13、6可知，沸石對(duì)氨氮的吸附容量隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而上升，在03h時(shí)間段內(nèi)上升較快，當(dāng)時(shí)間T3h時(shí)，則增加緩慢，這是由于沸石對(duì)氨氮的吸附以物理吸附為主，屬于快速吸附7,而后期吸附則是以沸石空隙中的堿土金屬離子與NH+進(jìn)行離子交換，速度較慢，因此出現(xiàn)“快速吸附，緩慢平衡”的吸附特性.4Lagergren準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型9:ktbgq-qpiogqe2.303(5)對(duì)公式(5)進(jìn)行積分得：6)7)1k1=1+qqtqte1e1t1t=+-qkq2qt2e2e2式(6)中：qt和qel分別是t時(shí)刻和吸附平衡時(shí)的吸附量(mg/g)，t為吸附時(shí)間h，匕為一級(jí)吸附速率常數(shù)h-1；式(7)中：qt和qe

14、2分別是t時(shí)刻和吸附平衡時(shí)的吸附量(mg/g),k2為二級(jí)吸附速率常數(shù)g/(mg.h).采用這兩種反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，見(jiàn)圖7和圖8，擬合參數(shù)見(jiàn)表3由表3可知，沸石吸附氨氮的吸附過(guò)程均可由準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行描述，但是準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)性R2為0.998,大于準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)性R2(0.981)，因此，準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型能更好的描述沸石吸附氨氮的過(guò)程。表3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)值準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合公式qe1(mg/g)k1(h-1)R21/qt=1.507/t+1.5470.6460.9740.981準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合公式qe2(mg/g)k2(

15、g/(mgmin)R2t/qt=1.594t+1.5850.6271.6030.9983結(jié)論(1)沸石的粒徑越小對(duì)氨氮的吸附量越大，當(dāng)初始氨氮濃度控制在100mg/L時(shí)，2g1020目沸石的平衡吸附量qe為0.341mg/g，而粒徑為80100目沸石的平衡吸附量qe可達(dá)到0.512mg/g。沸石投加量的增大會(huì)使氨氮去除率明顯提高，平衡吸附量qe減小，沸石投加量1g增加到15g時(shí)，氨氮去除率5.94%上升到42.97%,qe由0.595mg/g減小到0.286mg/g。氨氮初始濃度越大，沸石平衡吸附量qe越大，去除率越小，在吸附等溫線(xiàn)的擬合中，吸附過(guò)程與Langmuir吸附等溫線(xiàn)高度相關(guān)，R2=

16、0.997，適合描述沸石對(duì)氨氮的吸附特征。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，沸石平衡吸附量qe越大，出現(xiàn)先快后慢的吸附特性，在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型擬合中，準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)性R2為0.998,能更好的模擬氨氮吸附過(guò)程。參考文獻(xiàn)馬寧,王宇.氨氮在底泥中的吸附-解吸行為研究進(jìn)展J.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2010,24:273274.古介祥.沸石.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1990,3051張輝.沸石改性和去除水中氮磷的研究33游少鴻，佟小薇.天然沸石對(duì)氨氮的吸附作用及其影響因素J.水資源保護(hù),2010,26(1),70-73.趙玉華，張旭.改性沸石去除水中氨氮的試驗(yàn)分析J.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2008,24(4),641-6446溫東輝,唐孝炎,馬倩如.天然沸石銨吸附容量研究.環(huán)境科學(xué)研究,2003,16(2)