凹凸棒石載鋯吸附劑的制備及除磷性能研究

朱格仙　王英　張濤

（1陜西現(xiàn)代建筑設(shè)計研究院陜西西安7100482西安工程大學(xué)陜西西安710048）

凹凸棒石載鋯吸附劑的制備及除磷性能研究

朱格仙1王英1張濤2

（1陜西現(xiàn)代建筑設(shè)計研究院陜西西安7100482西安工程大學(xué)陜西西安710048）

通過浸漬法制備了凹凸棒石（ATP-Zr）負(fù)載鋯除磷吸附劑，并對其吸附除磷效果進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明：以凹凸棒石為載體負(fù)載鋯，當(dāng)鋯溶液濃度為0.2 mol/L、負(fù)載溫度100℃、陳化時間12 h時，所得ATP-Zr吸附劑在吸附時間為60min時的吸附效率可高達(dá)99.9%，吸附容量為10.2mg/g（以磷計）。

鋯；凹凸棒石；吸附；除磷

水體的富營養(yǎng)化已成為一個全球性嚴(yán)重的水環(huán)境污染問題[1]，如何有效防治水體富營養(yǎng)化已成為目前環(huán)境領(lǐng)域的研究前沿?zé)狳c之一。水體富營養(yǎng)化的主導(dǎo)因素是氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的攝入和富集，而磷是藻類增殖的最重要的誘導(dǎo)因素，因此，降低水中磷含量是抑制富營養(yǎng)化的關(guān)鍵[2]。目前除磷方法主要有生物法、化學(xué)沉淀法和吸附法。生物法除磷運行成本低，除磷效率可達(dá)到90%以上，但該方法對水中BOD依賴性較強，受廢水pH、T、DO影響較大，而且當(dāng)水中磷含量超過10mg/L時，出水難以達(dá)標(biāo)。化學(xué)沉淀法除磷主要利用化學(xué)藥劑中的金屬離子與磷酸根生成沉淀物，通過泥水分離達(dá)到除磷目的[3]。該方法的主要缺點為費用高、產(chǎn)生污泥量大、金屬離子在水中產(chǎn)生色度以及對生物的慢性毒害作用。吸附法除磷是利用某些多孔或大比表面的固體物質(zhì)對水中磷酸根離子的吸附親和力，來實現(xiàn)對廢水的除磷過程[4]。相比之下，吸附法除磷具有高效快速、無二次污染、易操作等特點，越來越引起人們的關(guān)注。該方法要求吸附劑選擇性高、吸附容量大、易再生、性能穩(wěn)定且成本低廉。高效吸附劑的研發(fā)已成為目前吸附法除磷領(lǐng)域的研究熱點。

天然礦物材料中，凹凸棒石(ATP)具有獨特的層鏈結(jié)構(gòu)、類似沸石的大通道、大比表面積且價廉易得，作為吸附材料被廣泛使用[5]。本研究采用浸漬法制備改性凹凸棒石負(fù)載鋯(ATP-Zr)吸附劑，利用鋯的四聚體中的羥基與水中磷酸根之間的快速置換作用，達(dá)到提高改性ATP對磷酸根的吸附速率、吸附容量及優(yōu)化其吸附性能的目的。利用靜態(tài)除磷實驗吸附模擬含磷廢水，以吸附效率和吸附容量為考察指標(biāo)，探究鋯的溶液濃度、陳化時間和負(fù)載溫度對Zr-ATP吸附劑除磷效果的影響，為新型除磷吸附材料的制備奠定基礎(chǔ)。

1　實驗

1.1主要原料

實驗所用原料有：凹凸棒石；八水合氧氯化鋯(ZrOCl2· 8H2O,AR)；鹽酸(HCl,AR)；氫氧化鈉(NaOH,AR)；磷酸二氫鉀(KH2PO4,AR)。

1.2樣品的制備：

1.2.1改性ATP的制備[10]

堿改：稱取等質(zhì)量的凹凸棒石和NaOH混合均勻，550℃馬弗爐中煅燒2h，自然冷卻后，加去離子水?dāng)嚢杈鶆?，再加入NaCl溶液，抽濾，烘干。酸改：稱取一定量堿改后凹凸棒石浸沒于9%鹽酸中，70℃水浴震蕩8h，反復(fù)抽濾、洗滌，直到檢測不到Cl-為止，烘干。

1.2.2Zr-ATP吸附劑的制備

將ZrOCl2·8H2O溶于水，制備不同濃度的鋯溶液，備用。稱取改性凹凸棒石5 g，以固液比為1:2浸漬于不同濃度的鋯溶液中(固液比，凹凸棒石質(zhì)量與ZrOCl2溶液體積之比)，磁力攪拌器攪拌30 min，然后陳化不同時間，干燥，隨后在不同溫度下焙燒2 h，自然冷卻后即可得Zr-ATP吸附劑。

1.3分析測試

用磷酸二氫鉀配制濃度為50ppm的模擬含磷廢水。將0.5g Zr-ATP吸附劑放入250 mL的錐形瓶中，加入100 mL配置好的模擬含磷廢水放入水浴搖床中震蕩2 h，取上清液經(jīng)離心處理后，利用鉬銻藍(lán)分光光度法測定剩余磷含量，計算Zr-ATP吸附劑對磷的吸附效率和吸附容量(以磷計)。

2　結(jié)果與分析

2.1鋯溶液濃度對吸附劑的影響

從圖1可以看出，未負(fù)載鋯的改性凹凸棒石對磷酸根的吸附效率隨著吸附時間的增加而提高，當(dāng)吸附時間為240 min時達(dá)到平衡，此時吸附效率為67%；微量鋯的引入，使得改性后吸附劑的吸附效率明顯提高，吸附平衡時間也大幅縮短。隨著鋯溶液濃度逐漸增大，鋯的氧化物在凹凸棒石孔道及表面沉積量增大，Zr-ATP吸附劑對磷的吸附效率也大大提高，60 min后即可達(dá)到99.9%，此時吸附容量為9.99mg/L(以磷計)。當(dāng)鋯溶液濃度增加到0.2 mol/L后，鋯的氧化物在凹凸棒石孔道中負(fù)載達(dá)到飽和，Zr-ATP吸附劑對磷酸根的吸附能力基本不變。

圖1　鋯溶液濃度對吸附劑吸附效率的影響

2.2陳化時間對吸附劑的影響

陳化時間是Zr-ATP吸附劑制備過程中一個較為重要的影響因素。由圖2可知，隨著浸漬陳化時間的延長，吸附劑對磷的吸附效果逐漸增強，這可能由于陳化時間較短時，鋯離子在凹凸棒石表面及孔道間負(fù)載不夠完全，對磷酸根的吸附活性位點數(shù)量較少，吸附劑的除磷效果較差；陳化時間增加后，鋯離子負(fù)載量增多，吸附劑活性位點增多，吸附效率提升。陳化12h之后，繼續(xù)延長陳化時間吸附效率基本不變，此時鋯的負(fù)載量已經(jīng)到達(dá)飽和。圖3的結(jié)果表明，陳化時間在12h～16h時，吸附劑除磷效率最高，從

圖2　陳化時間對吸附劑吸附效率的影響

經(jīng)濟節(jié)能的角度考慮，選擇12h為最優(yōu)浸漬陳化時間。

2.3焙燒溫度對吸附劑的影響

圖3　焙燒溫度對吸附劑吸附容量的影響

圖4顯示，在吸附劑的制備過程中，焙燒溫度從80℃升高至100℃，Zr-ATP吸附劑的吸附容量逐漸增大，最大時可達(dá)10.2 mg/g，這是由于，鋯負(fù)載凹凸棒石過程需要適宜的溫度來提供反應(yīng)所需的活化能。焙燒溫度從100℃升高至150℃，吸附劑吸附容量基本保持不變。當(dāng)焙燒溫度繼續(xù)升高時，吸附容量呈下降趨勢，說明高溫不利于吸附劑的吸附性能。實驗最終確定100℃為最佳負(fù)載溫度。

3　結(jié)語

上述研究結(jié)果表明：ATP-Zr吸附劑制備，大大提高了改性凹凸棒石對水中磷酸根的吸附效率及吸附速率。當(dāng)鋯溶液濃度為0.2mol/L、負(fù)載溫度100℃、陳化時間為12h時，在吸附時間為60min時，吸附劑吸附效率可高達(dá)99.9%，吸附容量達(dá)10.2mg/g，具有良好的吸附能力。實驗發(fā)現(xiàn)，鋯溶液濃度、負(fù)載溫度和陳化時間對吸附劑均具有較大的影響。增大鋯溶液濃度，可增大吸附劑的吸附效率和容量；升高焙燒溫度可以使ATP-Zr晶體化，但影響其吸附性能；延長陳化時間可提高吸附劑的吸附能力?？梢园l(fā)現(xiàn)，利用浸漬法制備的ATP-Zr吸附劑是一種值得深入研究的新型吸附材料。

[1]吳峰,戰(zhàn)金艷,等.中國湖泊富營養(yǎng)化影響因素研究—基于中國22個湖泊實證分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2012,21(1):94-100.

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[3]孟順龍,等.污水化學(xué)沉淀法除磷研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報, 2012,28(35):264-268.

[4]Jianyong Liu,Qi Zhou,et al.Phosphate adsorption on hydroxyl-iron-lanthanum doped activated carbon fiber[J].Chemical EngineeringJournal,2013,215/216：859-867.

[5]陳天虎,馮有亮,史曉莉.凹凸棒石與酸反應(yīng)產(chǎn)物和結(jié)構(gòu)演化的研究[J].硅酸鹽學(xué)報,2003,31(10):959-964.

朱格仙（1973—），女，陜西岐山，碩士研究生，工程師，研究方向：環(huán)境工程及環(huán)境影響評價。