海藻酸鈉-鐵凝膠球?qū)o機磷和吸附

史沫男，鄧潔璇，李永峰，林永波

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院環(huán)境科學(xué)系哈爾濱150040)

近年來，磷和鉻對水體的污染情況愈來愈嚴(yán)峻.磷是水體富營養(yǎng)化的主要控制因素[1].而廢水中存在的重鉻酸根如果不經(jīng)過處理就排進江河湖海，或者進入土壤和地下水中，會使水體與土壤受到污染.目前為止，除磷效果好、應(yīng)用較多的是化學(xué)沉淀法除磷和生物法除磷.但化學(xué)法藥劑費用較高，且化學(xué)沉淀產(chǎn)生的化學(xué)污泥含水量大，脫水困難，難以處理，容易產(chǎn)生二次污染[2].六價鉻在自然界和生物體內(nèi)是與氧原子結(jié)合形成陰離子存在的，所以處理這些金屬廢水時，最直接的方法是將這些金屬的陰離子化合物從水體和生物體內(nèi)去除.由于其很難被分解破壞，所以只能轉(zhuǎn)移它們的存在位置和轉(zhuǎn)變它們的物理和化學(xué)形態(tài)固定化微生物廢水處理技術(shù)應(yīng)用廣泛，海藻酸鈉是用于包埋固定化微生物細胞的第一個聚合物[3]，海藻酸鈉包埋法是一種使用最廣、研究最多的包埋固定方法，它具有成型方便，對微生物毒性小，固定化細胞密度高等優(yōu)點[4-5].海藻酸鈉的溶液可以在室溫或任何高于100℃的溫度條件與很多二價和三價陽離子反應(yīng)形成凝膠，形成后的凝膠，加熱也不融化[6].林永波，邢佳等研究了海藻酸鈉凝膠對重金屬鉛、銅、鎘的吸附能力[7]，對幾種重金屬的去除率都到達了97%;還研究了聚氧化乙烯-海藻酸鈉凝膠球?qū)o機磷的吸附，去除率到達了99.2%[8];內(nèi)包碳納米管海藻酸鈉凝膠球?qū)Ρ椒拥娜コ芰σ策_到了83%以上[9].海藻酸鈉-鈣-鐵凝膠球?qū)r2O72-的去除率可達到97%以上[10].因此，本實驗利用海藻酸鈉滴入Fe3+離子溶液中即成規(guī)則球形的特性，制成海藻酸鈉-鐵凝膠球，研究其對無機磷與重鉻酸根的混合溶液吸附，并進一步探討凝膠球的吸附容量及吸附機理.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

主要試劑:海藻酸鈉(SA，黏度1.05～1.15Pa·s)，氯化鐵(FeCl3·H2O，分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%)，磷酸二氫鉀(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.8%)，重鉻酸鉀(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.8%)，其他試劑(均為分析純).

主要儀器:HY-4調(diào)速多用振蕩器，PHS-3C型pH計，攪拌器，Precisa電子天平，722型可見分光光度，手提式壓力蒸汽滅菌器等.

1.2 實驗材料制備

取一定質(zhì)量濃度的海藻酸鈉溶液，用滴管分別勻速滴入50 mL，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的FeCl3溶液中，同時用磁力攪拌器不斷攪拌，靜止12 h后，用蒸餾水沖洗數(shù)遍，將溶液中多余的沖洗掉，最后在蒸餾水中靜止12 h，制得海藻酸鈉-鐵凝膠球.制備4 mg/L的K2Cr2O7和4 mg/L的KH2PO4的混合溶液為被吸附溶液.

1.3 實驗方法

實驗分別采用國標(biāo)法，用鉬酸銨可見分光光度法和二苯碳酰二肼可見分光光度法測定模擬廢水中無機磷和的質(zhì)量濃度.

在條件相同的情況下，用定量的SA-Fe凝膠球分別進行吸附無機磷溶液、吸附溶液、同時吸附無機磷和溶液，飽和吸附無機磷后的SA-Fe凝膠球吸附溶液和飽和吸附后的SA-Fe凝膠球吸附無機磷溶液5組實驗，對實驗結(jié)果進行分析比較.配制不同質(zhì)量濃度的無機磷、及其二者的混合溶液，進行48 h平衡吸附.吸附后溶液過濾，用可見分光光度計測定濾液中磷和鉻的吸光度，并分別繪制等溫吸附曲線.計算公式為Q=1-C/C0，其中C為濾液質(zhì)量濃度(mg/L)，C0為原溶液質(zhì)量濃度(mg/L)，Q為吸附劑的吸附去除率(%).

2 實驗結(jié)果

2.1 無機磷和吸附時間的比較

實驗分為兩組，分別取含有無機磷(4 mg/L)溶液50 mL(4 mg/L)溶液50 mL置于150 mL的錐形瓶中，每個錐形瓶中放20 mL制備的海藻酸鈉-鐵凝膠球(SA-Fe)，放于振蕩器上振蕩吸附，設(shè)定吸附時間分別為5、10、20、30、60、90、120、150、180、210 min.用國標(biāo)法測定剩余溶液中無機磷和的剩余量.去除率與時間關(guān)系的曲線如圖1.

圖1 吸附時間與去除率的關(guān)系曲線

2.2 無機磷和混合吸附時間的比較

圖2 吸附時間與去除率的關(guān)系曲線

2.3 吸附等溫線

目前常見的有Freundlich型和Langmuir型吸附等溫線.其公式為:Freundlich型:Q=KFc1/n;Langmuir型:Q=Q0Kc/(1+Kc).其中Q為吸附量，c為平衡時的質(zhì)量濃度(mg/L)，Q0為飽和吸附量(mg/g)，K、n為經(jīng)驗常數(shù).實驗結(jié)果見表1.

從表1中相關(guān)系數(shù)R2可以看出，Langmuir型方程能更好的描述SA-Fe凝膠球?qū)θM實驗中無機磷和的吸附行為.這說明其吸附行為是單分子層吸附，海藻酸鈉-鐵凝膠球網(wǎng)格中的與和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成和FePO4，附著于凝膠球中被去除.通過三組實驗中Q0的比較可以發(fā)現(xiàn)，SA-Fe對磷鉻混合溶液中無機磷的飽和吸附量與對單獨磷溶液中無機磷的飽和吸附量相比變化幅度很小，而對磷鉻混合溶液中的飽和吸附量與單獨鉻溶液中的飽和吸附量相比變化幅度較大，這證明了2.2中SA-Fe凝膠球?qū)o機磷與的吸附過程中優(yōu)先吸附無機磷的結(jié)論.

表1 吸附等溫線擬合結(jié)果

2.4 SA-Fe吸附飽和后再吸附無機磷時間比較

圖3 吸附時間與去除率/析出質(zhì)量濃度關(guān)系的曲線

2.5 SA-Fe吸附無機磷飽和后再吸附時間比較

分別取含有無機磷(100 mg/L)溶液50 mL置于150 mL的錐形瓶中，向錐形瓶中放20 mL制備的海藻酸鈉-鐵凝膠球(SA-Fe)，放于振蕩器上振蕩48 h，使SA-Fe對溶液中無機磷的吸附達飽和，將達到飽和的SA-Fe凝膠球從各個錐形瓶中取出用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈.再分別取含有(4 mg/L)溶液50 mL置于150 mL的錐形瓶中，向各個錐形瓶中放入達到飽和的SA-Fe凝膠球，放于振蕩器振蕩5、15、30、60、90、120、150、180、210 min后 ，測定溶液中無機磷和的質(zhì)量濃度并計算去除率與析出質(zhì)量濃度，去除率/析出質(zhì)量濃度與時間關(guān)系的曲線如圖4.

圖4 吸附時間與去除率/析出質(zhì)量濃度關(guān)系的曲線

由圖4可以得出，將吸附無機磷達到飽和的20 mL SA-Fe對進行吸附，吸附平衡時間為120 min，吸附平衡時溶液中的去除率達到了28.75%，同時SA-Fe中并沒有無機磷析出.這說明不能破壞SA-Fe凝膠球中吸附的的平衡.通過2.4、2.5可以說明SA-Fe凝膠球?qū)o機磷與的吸附過程中優(yōu)先吸附無機磷的機理是:相對于具有優(yōu)先級，能夠破壞SA-Fe中絡(luò)合的的平衡，使同分離.分離后的與結(jié)合生成FePO4，被吸附于凝膠網(wǎng)格中去除.

3 結(jié)論

通過海藻酸鈉-鐵凝膠球?qū)袩o機磷和重鉻酸鉀的溶液進行吸附實驗，得出以下結(jié)論.

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