3種填料對氮磷吸附特性研究

3種填料對氮磷吸附特性研究

快速城市化不僅給人們帶來了巨大的好處，而且生活污水、廢水和農(nóng)藥的排放給當?shù)睾恿鲙砹司薮蟮奈廴?。氮和磷超標是水體富營養(yǎng)化惡化的主要因素。因此，研究水體富營養(yǎng)化氮磷超標已成為一個必須盡快解決的問題。目前,濕地技術由于其生態(tài)性和低成本成為脫氮除磷研究熱點,而填料是濕地脫氮除磷的核心組成部分,因此開發(fā)經(jīng)濟適用、改善土壤肥效、不宜堵塞的濕地填料具有重要的現(xiàn)實意義1材料和方法1.1試驗用水的理化性質(zhì)試驗材料:沸石、礫石、海綿鐵,其中沸石(斜發(fā))取自宜興市某水泥廠,礫石選用中礫(8~64mm),海綿鐵為3~5mm,主要的理化性質(zhì)如表1所示,試驗用水采用自配水。試驗儀器:紫外—可見分光光度計(752系列)、電子分析天平(AR-1140)、低速離心機(80-1)、恒溫振蕩器(THZ-82)、干燥箱(101-1)等。1.2測試方法1.2.1填料對氮磷的等溫吸附試驗過程保持溫度25℃左右,所用填料均經(jīng)過高溫烘干,稱取10g填料分別放入7個250mL的錐形瓶中,依次加入5、10、20、40、60、80、100mg/L的NH式中:Q為填料對氮(磷)的吸附量,mg/kg;t為時間,min;c1.2.2結合碳和磷吸附動力學配制40mg/LNH2結果和討論2.1填料的等溫吸附能力在溫度恒定的條件下,填料對氮磷的吸附現(xiàn)象采用Langmuir方程(見式(2))和Freundlich方程(見式(3))來表征吸附量以及溶質(zhì)平衡濃度之間的關系。式中:c海綿鐵、沸石及礫石對磷均有較好的吸附效果,其中海綿鐵對磷的吸附能力最顯著。海綿鐵對磷的等溫吸附擬合曲線如圖1所示。填料對磷的Langmuir和Freundlich擬合等溫吸附方程及相關參數(shù)見表2和表3。由表2可見,3種填料對磷的吸附都可以用Langmuir方程來描述(R海綿鐵、沸石及礫石對氮均有較好的吸附效果,但沸石對氮的吸附能力最顯著。沸石對氮的獨特吸附能力取決于自身的性質(zhì),其對氮的等溫吸附擬合曲線如圖2所示。填料對氮的Langmuir和Freundlich擬合等溫吸附方程及相關參數(shù)見表4和表5。由表4可以看出,3種填料對氮的吸附都可以用Langmuir方程來描述。由1/ab可以看出,沸石對氮的吸附能力最強,海綿鐵與沸石對氮的吸附能力差不多,礫石的吸附能力最弱。由表5可以看出,3種填料對氮的Freundlich擬合等溫吸附方程顯示R2.2描述填料對磷等溫的動力學特性采用一級動力學方程(見式(4))、雙常數(shù)方程(見式(5))、Elovich方程(見式(6))等動力學模型對氮磷的吸附動力學進行擬合。一級動力學方程可以描述填料吸附量和時間之間的關系,主要適用于擴散機制控制的動力學過程;雙常數(shù)方程主要適合于反應復雜的動力學擬合;Elovich方程可以描述很多反應機制,但是對單一反應機制不適合,如果反應過程中活化能變化較大,則適合用該方程來擬合。式中:e、f為動力學常數(shù)。由表6可知,雙常數(shù)和Elovich方程都能較好地描述填料對磷的等溫吸附動力學特征,基本達到了極顯著水平;一級動力學方程對3種填料的擬合效果部分達到顯著水平。由表7可知,3種動力學模型都能很好地描述填料對氮的等溫吸附動力學特征?？傮w而言,Elovich方程對3種填料的磷的吸附動力學特征描述更準確;一級動力學方程對沸石的氮的吸附動力學特征描述最精準。這表明,填料對氮磷的吸附動力學是反映速率和擴散因子綜合控制的過程。2.3沸石和海損鐵對氮磷的等溫吸附效果由圖3可見,填料對氮磷的吸附過程呈現(xiàn)先快后慢的整體趨勢。由圖3(a)可以看出,吸附過程可以分為快、中、慢階段,填料表面的能量吸附位點存在高、中、低之分。在吸附最初階段(在10~60min內(nèi)),吸附曲線呈現(xiàn)上升趨勢,同時海綿鐵中存在大量鐵離子與磷酸根發(fā)生表面吸附由圖3(b)可以看出,在10~120min內(nèi),吸附量有不同程度的增加,初始增加較快。吸附中后期,吸附逐漸趨于飽和狀態(tài)。由于沸石本身的結構、比表面積較大,沸石的晶體結構是由硅(鋁)氧四面體連成三維的格架,格架中有大小不同的空穴和孔道,體積是晶體總體積的1/2以上,孔穴中離子周圍形成強大的電場,產(chǎn)生靜電作用,故沸石具有很強的吸附能力沸石中的陽離子可以交換水體中的銨離子,同時沸石中含有的金屬離子還可以與水體中的磷酸根發(fā)生沉淀反應。海綿鐵內(nèi)部有大量不規(guī)則的空隙,由于并沒有形成較強電場,不能產(chǎn)生靜電作用,故而其對氮的吸附能力不及沸石,但由于海綿鐵所產(chǎn)生的鐵離子可與磷酸根形成沉淀物質(zhì),積累在海綿鐵表面,所以對磷的吸附能力要比沸石強。礫石對氮磷的吸附均不及海綿鐵和沸石,是由其結構性質(zhì)決定的,其比表面積遠小于海綿鐵和沸石?？傮w上,礫石對氮磷的吸附最差,而沸石和海綿鐵對氮磷的吸附效果較好。從對氮磷的吸附量、吸附速率看,海綿鐵和沸石能夠作為人工濕地的填料對污水進行處理,并且經(jīng)濟方面較便宜,取用方便。3填料對氮磷的等溫吸附動力學特征(1)填料對氮和磷的吸附均能用Langmuir和Freundlich方程描述。理論上對磷的吸附量依次為海綿鐵>沸石>礫石;對氮依次為沸石>海綿鐵>礫石。(2)雙常數(shù)、一級動力學和Elovich方程動力學模型能夠較好地描述填料對氮磷的等溫吸附動力學特征,其中Elovich方程對3種填料的磷的吸附動力