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        改性富鎂礦石對(duì)自來水中余氯吸附性能研究

        2019-10-21 08:55:26曾梓孌
        中國(guó)金屬通報(bào) 2019年9期
        關(guān)鍵詞:吸附平衡余氯滑石

        曾梓孌

        (桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林 541000)

        氯制劑成本低廉,氧化性能強(qiáng),可提供整個(gè)供水配水系統(tǒng)中殘余氯的最低濃度,防止微生物的再污染[1]。因此,氯化消毒在很多消毒領(lǐng)域都被應(yīng)用到。但氯制劑可與水中的天然有機(jī)化合物發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生三鹵甲烷、鹵乙酸、鹵代烷、鹵代呋喃酮等消毒副產(chǎn)物。這些消毒副產(chǎn)物不僅影響水的味道和氣味,同時(shí)對(duì)人體健康造成的威脅,如致癌性、致畸性、致突變性[2]。目前,自來水余氯去除的方法包括活性炭吸附法[3,4],高純度銅鋅合金過濾介質(zhì)氧化還原法[5]和改性樹脂法。但這些方法價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、二次污染等一系列問題,因此難以得到推廣利用。

        滑石屬于富鎂的層狀礦物(Mg3(Si4O10)(OH)2)。本項(xiàng)目擬采用富鎂礦石、碳酸鈣等成本低廉、儲(chǔ)量豐富的天然礦物為主要原輔料制備改性富鎂滑石,用于去除自來水中的余氯,這對(duì)保障飲用水安全和提高飲用水礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)方面具有重要意義。

        1 試驗(yàn)

        1.1 儀器與試劑

        試劑:富鎂滑石( 200 目(0.045 μm)),鹽酸N,N-二乙基對(duì)苯二胺(DPD),無水磷酸氫二鈉,無水磷二氫鉀,乙二胺四乙酸二鈉,碘化鉀(KI),氯化汞(HgCl2),硫代乙酰胺(CH3CSNH2),硫代硫酸鈉(Na2S2O3),無水碳酸鈉(Na2CO3),重鉻酸鉀(K2Cr2O7, 基準(zhǔn)級(jí)),可溶性淀粉,冰乙酸(C2H4O2),碳酸鈣(CaCO3,AR),次氯酸鈉溶液(NaClO),98% 濃硫酸,以上所用試劑均為分析純。四硼酸鈉(Na2B4O7·10H2O),苯二甲酸氫鉀(HOOCC6H4COOK),鉬酸銨(H8MoN2O4),二氧化硅(SiO2,高純),草酸(H2C2O4),對(duì)硝基酚,高錳酸鉀(KMnO4),氯標(biāo)準(zhǔn)溶液(1000 mg/L ),硫酸溶液,鹽酸溶液。

        1.2 改性富鎂滑石的制備

        將過 200 目篩的富鎂滑石和石灰石樣品置于溫度為 1100℃烘箱中干燥 1 h 至恒重,然后分別將其按照 1:2 的摩爾質(zhì)量比稱取相應(yīng)質(zhì)量的樣品,在球磨機(jī)中研磨混合,干燥,然后放入陶瓷坩堝,最后放入馬弗爐中,在規(guī)定溫度下烘烤一段時(shí)間,然后迅速取出,冷卻至室溫,然后研磨成樣品,放入包裝袋內(nèi)保存,最后放入干燥器中進(jìn)行保持。富鎂滑石組分比如下表。

        表1 富鎂滑石元素分析數(shù)據(jù)/%

        進(jìn)行對(duì)比分析研究摩爾配比、焙燒溫度和焙燒時(shí)間等相關(guān)參數(shù)對(duì)這種水處理劑溶解度影響,在實(shí)驗(yàn)研究過程中,按照 1g:250mL 的固液比用去離子水溶解,在150 r ·min-1~180 r·min-1水浴恒溫振蕩器中振蕩處理半小時(shí)接著干過濾,測(cè)定溶解度、pH、鈣和鎂、二氧化硅。改性富鎂滑石的制備流程見圖1。

        圖1 改性富鎂滑石的制備流程

        1.3 含氯水樣的配制

        將次氯酸鈉溶液進(jìn)行一百倍稀釋處理后保存在棕色容量瓶中,用碘量法[6]檢測(cè)其濃度,在其后實(shí)驗(yàn)中,對(duì)余氯儲(chǔ)備液進(jìn)行不同倍比稀釋而作為標(biāo)品。

        1.4 吸附實(shí)驗(yàn)

        準(zhǔn)確的稱取 0.1 g 的目標(biāo)吸附劑加入到二百五十毫升錐形瓶中,接著加入一百毫升余氯水溶液,進(jìn)行充分的包裹遮光后放入水浴振蕩器中,一定溫度條件下振蕩后,取出并低速離心處理半小時(shí)。離心后所得上清液濾膜過濾,測(cè)定濾液中的余氯濃度。

        1.5 余氯濃度的測(cè)定

        根據(jù)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)指標(biāo)》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),本文研究中選擇 N,N-二乙基對(duì)苯胺分光光度法進(jìn)行檢測(cè)。

        2 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果

        2.1 吸附平衡等溫線擬合

        吸附等溫曲線含義為一定條件下,溶質(zhì)分子在兩相界面上處于吸附平衡條件下,其在兩相中濃度的相關(guān)性曲線,應(yīng)用比例高的吸附等溫線模型有兩種,分別為 Langmuir 和 Freundlich 。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)余氯初始濃度在 4.1 mg·L-1~32.8mg·L-1范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行 Freundlich 吸附平衡等溫線擬合,該實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室溫度 25 ℃ 環(huán)境下進(jìn)行[7]。

        上世紀(jì)二十年代Freundlich吸附平衡方程被建立,其主要用于描述分析多層和非均勻吸附,對(duì)應(yīng)表達(dá)式如下。

        式中:

        Qe—平衡吸附量

        Ce—平衡吸附濃度

        Kf—Freundlich常數(shù)

        圖3是在 25 ℃ 的實(shí)驗(yàn)溫度下,改性富鎂滑石吸附氯平衡時(shí)的濃度和平衡吸附量之間的關(guān)系圖。由圖3可知,平衡吸附量Qe 與 Ce 的值正相關(guān)。

        圖2 Freundlich 吸附等溫線擬合

        由擬合圖線可知,F(xiàn)reundlich 吸附等溫線擬合效果較好,由此可判斷出此吸附為非均勻性的。

        2.2 吸附時(shí)間的影響

        圖3說明了不同吸附時(shí)間對(duì)消除殘余氯的影響。由圖可知,在 0min 到 30 min 階段,余氯去除率隨著時(shí)間的增加而迅速增大,在 30 min 處達(dá)到最大值,然后迅速降低,最后逐漸趨于平緩,因而對(duì)比分析選擇最佳吸附時(shí)間為三十分鐘。

        吸附劑活性中心會(huì)對(duì)去除率產(chǎn)生明顯影響,在吸附初期,液膜表面與吸附活性中心之間的濃度梯度較大,活性中心越多,剩余氯的去除率就越快[8]。由于吸附主要出現(xiàn)在吸附劑表面,因而吸附不強(qiáng)。

        圖3 不同吸附時(shí)間對(duì)余氯去除率的影響

        2.3 吸附劑投加量的影響

        圖4顯示了余氯去除率和吸附劑加入量的相關(guān)性曲線,分析可知,在此過程中分別加入改性富鎂滑石到一百毫升初始濃度為 4.1 mg/L 的次氯酸鈉溶液中,在 25 ℃ 環(huán)境條件下,搖床 180 r/min 振蕩吸附 30 min,離心后取上層清液,測(cè)余氯濃度。從圖中可以看出,余氯去除率隨吸附劑投加量增加而增大,在投加量為 1.00 g 時(shí)余氯去除率達(dá)到最大值約 89%,在 1.00 g 之后,去除率開始有所下降,因此,1.00 g為最佳投加量[9]。

        圖4 吸附劑投加量對(duì)余氯去除率的影響

        3 結(jié)論

        (1)改性富鎂礦石最佳制備條件:在馬弗爐中 1100 ℃ 焙燒2 小時(shí),最佳物料配比為富鎂滑石:碳酸鈣=1:2。

        (2)吸附時(shí)間 ,吸附劑投加量 1.00 g 為最佳吸附條件,此條件下去除率最高可達(dá) 89%。

        (3)改性富鎂礦石吸附水中余氯性能用 Freundlich 擬合,擬合度高,因而可判斷出此吸附為非均勻性的。

        (4)吸附劑的性質(zhì)以及其吸附活性點(diǎn)會(huì)影響其余氯去除率。

        (5)加入改性富鎂礦石后,自來水中余氯濃度大幅度降低,到。

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