3种填料对氮磷吸附特性研究

3种填料对氮磷吸附特性研究

快速城市化不仅给人们带来了巨大的好处，而且生活污水、废水和农药的排放给当地河流带来了巨大的污染。氮和磷超标是水体富营养化恶化的主要因素。因此，研究水体富营养化氮磷超标已成为一个必须尽快解决的问题。目前,湿地技术由于其生态性和低成本成为脱氮除磷研究热点,而填料是湿地脱氮除磷的核心组成部分,因此开发经济适用、改善土壤肥效、不宜堵塞的湿地填料具有重要的现实意义1材料和方法1.1试验用水的理化性质试验材料:沸石、砾石、海绵铁,其中沸石(斜发)取自宜兴市某水泥厂,砾石选用中砾(8~64mm),海绵铁为3~5mm,主要的理化性质如表1所示,试验用水采用自配水。试验仪器:紫外—可见分光光度计(752系列)、电子分析天平(AR-1140)、低速离心机(80-1)、恒温振荡器(THZ-82)、干燥箱(101-1)等。1.2测试方法1.2.1填料对氮磷的等温吸附试验过程保持温度25℃左右,所用填料均经过高温烘干,称取10g填料分别放入7个250mL的锥形瓶中,依次加入5、10、20、40、60、80、100mg/L的NH式中:Q为填料对氮(磷)的吸附量,mg/kg;t为时间,min;c1.2.2结合碳和磷吸附动力学配制40mg/LNH2结果和讨论2.1填料的等温吸附能力在温度恒定的条件下,填料对氮磷的吸附现象采用Langmuir方程(见式(2))和Freundlich方程(见式(3))来表征吸附量以及溶质平衡浓度之间的关系。式中:c海绵铁、沸石及砾石对磷均有较好的吸附效果,其中海绵铁对磷的吸附能力最显著。海绵铁对磷的等温吸附拟合曲线如图1所示。填料对磷的Langmuir和Freundlich拟合等温吸附方程及相关参数见表2和表3。由表2可见,3种填料对磷的吸附都可以用Langmuir方程来描述(R海绵铁、沸石及砾石对氮均有较好的吸附效果,但沸石对氮的吸附能力最显著。沸石对氮的独特吸附能力取决于自身的性质,其对氮的等温吸附拟合曲线如图2所示。填料对氮的Langmuir和Freundlich拟合等温吸附方程及相关参数见表4和表5。由表4可以看出,3种填料对氮的吸附都可以用Langmuir方程来描述。由1/ab可以看出,沸石对氮的吸附能力最强,海绵铁与沸石对氮的吸附能力差不多,砾石的吸附能力最弱。由表5可以看出,3种填料对氮的Freundlich拟合等温吸附方程显示R2.2描述填料对磷等温的动力学特性采用一级动力学方程(见式(4))、双常数方程(见式(5))、Elovich方程(见式(6))等动力学模型对氮磷的吸附动力学进行拟合。一级动力学方程可以描述填料吸附量和时间之间的关系,主要适用于扩散机制控制的动力学过程;双常数方程主要适合于反应复杂的动力学拟合;Elovich方程可以描述很多反应机制,但是对单一反应机制不适合,如果反应过程中活化能变化较大,则适合用该方程来拟合。式中:e、f为动力学常数。由表6可知,双常数和Elovich方程都能较好地描述填料对磷的等温吸附动力学特征,基本达到了极显著水平;一级动力学方程对3种填料的拟合效果部分达到显著水平。由表7可知,3种动力学模型都能很好地描述填料对氮的等温吸附动力学特征。总体而言,Elovich方程对3种填料的磷的吸附动力学特征描述更准确;一级动力学方程对沸石的氮的吸附动力学特征描述最精准。这表明,填料对氮磷的吸附动力学是反映速率和扩散因子综合控制的过程。2.3沸石和海损铁对氮磷的等温吸附效果由图3可见,填料对氮磷的吸附过程呈现先快后慢的整体趋势。由图3(a)可以看出,吸附过程可以分为快、中、慢阶段,填料表面的能量吸附位点存在高、中、低之分。在吸附最初阶段(在10~60min内),吸附曲线呈现上升趋势,同时海绵铁中存在大量铁离子与磷酸根发生表面吸附由图3(b)可以看出,在10~120min内,吸附量有不同程度的增加,初始增加较快。吸附中后期,吸附逐渐趋于饱和状态。由于沸石本身的结构、比表面积较大,沸石的晶体结构是由硅(铝)氧四面体连成三维的格架,格架中有大小不同的空穴和孔道,体积是晶体总体积的1/2以上,孔穴中离子周围形成强大的电场,产生静电作用,故沸石具有很强的吸附能力沸石中的阳离子可以交换水体中的铵离子,同时沸石中含有的金属离子还可以与水体中的磷酸根发生沉淀反应。海绵铁内部有大量不规则的空隙,由于并没有形成较强电场,不能产生静电作用,故而其对氮的吸附能力不及沸石,但由于海绵铁所产生的铁离子可与磷酸根形成沉淀物质,积累在海绵铁表面,所以对磷的吸附能力要比沸石强。砾石对氮磷的吸附均不及海绵铁和沸石,是由其结构性质决定的,其比表面积远小于海绵铁和沸石。总体上,砾石对氮磷的吸附最差,而沸石和海绵铁对氮磷的吸附效果较好。从对氮磷的吸附量、吸附速率看,海绵铁和沸石能够作为人工湿地的填料对污水进行处理,并且经济方面较便宜,取用方便。3填料对氮磷的等温吸附动力学特征(1)填料对氮和磷的吸附均能用Langmuir和Freundlich方程描述。理论上对磷的吸附量依次为海绵铁>沸石>砾石;对氮依次为沸石>海绵铁>砾石。(2)双常数、一级动力学和Elovich方程动力学模型能够较好地描述填料对氮磷的等温吸附动力学特征,其中Elovich方程对3种填料的磷的吸附动力