孫曉菲,陳桂芳,安東海,毛巖鵬,馬春元

粉末活性焦對(duì)水中磷酸鹽的吸附性能

孫曉菲,陳桂芳,安東海,毛巖鵬*,馬春元

(山東大學(xué),燃煤污染物減排國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250061)

以蒙東褐煤為原料,通過沉降爐炭化活化一步法制備了粉末活性焦(COKE),其具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu),以微孔為主,占據(jù)比表面積的79.3%.考察了活性焦對(duì)水中磷酸鹽的吸附性能,并進(jìn)一步研究了吸附時(shí)間、溫度、初始pH值、初始磷酸鹽濃度、活性焦投加量和共存離子對(duì)吸附過程的影響,以及吸附動(dòng)力學(xué)、吸附等溫線和熱力學(xué)特征.結(jié)果表明:活性焦對(duì)水體中的磷酸鹽具有良好的吸附性能.在30℃,pH=7的條件下,利用20.00g/L活性焦吸附1mg/L磷酸鹽溶液, 60min即可達(dá)到吸附平衡,此時(shí)吸附率可達(dá)89.4%.當(dāng)吸附溫度越高(10~40℃),活性焦投加量越大,溶液pH值在6~7時(shí),活性焦對(duì)水中磷酸鹽的去除效果越好.共存離子的存在(NO3-、SO42-、CO32-)對(duì)活性焦吸附磷酸鹽有抑制作用.活性焦對(duì)磷酸鹽溶液的吸附過程較好符合Freundlich模型(2>0.99)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(2>0.99),最大吸附容量為1.746mg/g(30℃),并通過熱力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)此過程為自發(fā)的吸熱反應(yīng).利用傅立葉紅外光譜分析進(jìn)一步表明,活性焦吸附磷酸鹽主要依靠配位交換.與活性炭相比,活性焦性價(jià)比更高,具有良好的應(yīng)用前景.

磷酸鹽；吸附；活性焦；動(dòng)力學(xué)模型；吸附等溫線

隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快,大量磷含量超標(biāo)的工農(nóng)業(yè)廢水及生活污水肆意排放,而高濃度的磷會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化[1-3],破壞環(huán)境和生態(tài)平衡,嚴(yán)重影響水生生物的生存和人體健康[4-7].為了減少磷酸鹽對(duì)環(huán)境的污染及達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)[8],應(yīng)對(duì)排放前水中多余的磷酸鹽進(jìn)行去除.目前除磷的主要方法有生物處理法[9-11]、膜過濾法[12-14]、離子交換法[15]、吸附法[16]等.其中吸附法[17-18]操作簡(jiǎn)單,無二次污染,快速高效,以及其穩(wěn)定的去除效率和資源潛力,現(xiàn)已成為除磷的研究熱點(diǎn)[19].

對(duì)于吸附法最重要的就是吸附劑的選擇,分子篩[20]、碳納米材料[21-22]、陶瓷[23]、沸石[24]、石墨烯[25]、活性炭[26-29]等都是良好的吸附劑.其中,活性炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu),較高的比表面積,豐富的官能團(tuán),特殊的物理性質(zhì)和化學(xué)特性,對(duì)水中的有機(jī)物和無機(jī)物有著極強(qiáng)的吸附能力,現(xiàn)已被應(yīng)用于水處理領(lǐng)域[30-33].但活性炭?jī)r(jià)格較高,應(yīng)用于水處理成本較大,限制了其廣泛使用,因而探索一種價(jià)格低廉的活性炭替代品成為研究的重點(diǎn).

活性焦[34]是以天然材料(如煤、木炭、活性污泥等)為原料,利用沉降爐等進(jìn)行不完全活化制備而成,工藝簡(jiǎn)單,生產(chǎn)成本低廉[35].活性焦具有與活性炭相似的吸附性能,發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、豐富的表面官能團(tuán)、較高的機(jī)械強(qiáng)度、成本低廉等優(yōu)勢(shì)[36],使其在水處理領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景.

本文對(duì)以低階煤褐煤為原料通過炭化活化一步法所制備的活性焦進(jìn)行分析,研究其對(duì)水中磷酸鹽的吸附特性,探究活性焦在不同的吸附時(shí)間、溫度、初始pH值、初始磷酸鹽濃度、投加量和共存離子條件下對(duì)磷酸鹽吸附性能的影響,并通過吸附動(dòng)力學(xué)、吸附等溫線及吸附熱力學(xué)進(jìn)一步探究其吸附特性.通過與椰殼活性炭進(jìn)行比較,探究使用活性焦的經(jīng)濟(jì)性.分析吸附環(huán)境對(duì)活性焦吸附磷酸鹽性能的影響,為含磷廢水的凈化提供了理論支持.

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

試劑磷酸二氫鉀、鹽酸、氫氧化鈉、碳酸鈉、硝酸鈉、硫酸鈉、鉬酸鹽、抗壞血酸、過硫酸鉀、酒石酸銻鉀、濃硫酸均為分析純,由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供.

1.2 吸附劑

圖1 活性焦制備系統(tǒng)

活性焦(COKE):以蒙東褐煤為原料制備粉末活性焦.如圖1所示,將粒徑為150~180μm煤粉放入給料機(jī),利用高純N2(6.00L/min)將原料(2.91g/min)帶進(jìn)沉降爐,制備溫度為800℃,通入O2(0.95L/min)、CO2(1.91L/min)和H2O g(1.59L/min),在爐內(nèi)停留6s后獲得活性焦.

椰殼活性炭(AC):本活性炭購(gòu)自海南星光活性炭有限公司.使用前進(jìn)行研磨,并篩分粒徑為150~ 180μm粉末活性炭,清洗烘干備用.

1.3 活性焦的表征

表面形貌特征通過掃描電鏡(SEM:DESK V)進(jìn)行觀察;表面官能團(tuán)通過傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR:Nicolet6700)進(jìn)行分析;等電點(diǎn)通過納米粒度及Zeta電位分析儀(Horiba SZ-100Z)進(jìn)行測(cè)量;表面孔隙結(jié)構(gòu)通過全自動(dòng)比表面積及微孔分析儀(BET:Autosorb-iQ)進(jìn)行測(cè)量及分析計(jì)算.

1.4 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

在室溫下,配置一定濃度的KH2PO4溶液,取150mL此溶液加入盛有一定量COKE(1.0gAC)的燒杯中,將燒杯放在數(shù)顯集熱式磁力攪拌器中水浴恒溫?cái)嚢?控制水溫恒定,攪拌轉(zhuǎn)速(1500r/min)恒定,反應(yīng)一段時(shí)候后取出,經(jīng)0.45μm濾膜進(jìn)行過濾得到清液.

1.5 除磷效果評(píng)價(jià)

采用鉬酸鹽分光光度法(GB 11893-89)[37]對(duì)吸附前后清液中的磷酸鹽濃度(以P計(jì))進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算活性焦對(duì)磷酸鹽的吸附率和時(shí)刻的單位吸附量q(或平衡時(shí)的單位吸附量e).計(jì)算公式如下所示:

式中:0為吸附前溶液中P的濃度,mg/L;e為吸附平衡時(shí)溶液中P的濃度,mg/L.