甄倩 王百田 郭利軍

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

氨氮是水體中的耗氧物質(zhì)，也是造成環(huán)境污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因。進(jìn)入水體中的氨氮會(huì)使水生動(dòng)物與植物異常繁殖，導(dǎo)致水體溶解氧降低、水體變壞、魚(yú)類(lèi)及其它水生生物死亡；氨氮會(huì)通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體而合成亞硝基化合物，對(duì)人類(lèi)健康造成嚴(yán)重危害[1]；未經(jīng)處理的氨氮排入環(huán)境會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。去除水體中氨氮的方法多種多樣，主要有離子交換法[2]、生物法[3]和吸附法[4]等。吸附法因?yàn)椴僮骱?jiǎn)單、效果穩(wěn)定和成本低等而被作為去除水體中氨氮的有效方法。然而，污水主要的吸附劑氧化鋁等的使用可能會(huì)引入一些有害有毒物質(zhì)，限制了其廣泛應(yīng)用。

聚丙烯酰胺型高吸水樹(shù)脂(SAP)是一種含有羧基、羥基等官能團(tuán)的強(qiáng)吸附能力的高吸水性樹(shù)脂，廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、林業(yè)、醫(yī)學(xué)、園藝等方面，具有吸附率高、吸附量大、施壓不脫水、保水能力強(qiáng)等特點(diǎn)，得到了國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用[5-6]。此外，高吸水樹(shù)脂進(jìn)行溶脹吸液和分子成鍵吸水同時(shí)，其高分子鏈上的官能團(tuán)對(duì)重金屬離子等有較高的螯合率，目前高吸水樹(shù)脂對(duì)于重金屬離子的去除效果研究較多，謝建軍等[7]研究表明PAMPS高吸水性樹(shù)脂對(duì)Pb+有很好的選擇吸附性，但對(duì)其在污水中氨氮的吸附研究相對(duì)較少，而吸附氨氮飽和后的高吸水樹(shù)脂還可以土壤還田，具有節(jié)肥、提高土壤肥力和改良土壤的作用。此外，已有研究者證明高吸水樹(shù)脂的粒徑、pH值、初始溶液濃度等對(duì)其吸附性能有重要影響[8-9]。而關(guān)于粒徑對(duì)其吸附性能的研究，不同研究者持有不同觀點(diǎn)，李楊等[10]認(rèn)為較小粒徑高吸水樹(shù)脂吸附性能優(yōu)于較大粒徑，張建剛等[11]認(rèn)為不同粒徑對(duì)高吸水樹(shù)脂吸附性能影響不大，而魏琛琛等[12]認(rèn)為較大粒徑高吸水樹(shù)脂的吸附性能最好。

1 材料與方法

1.1 材料

高吸水樹(shù)脂：交聯(lián)聚丙烯酰胺型高吸水樹(shù)脂，呈白色晶體，有效成分100%，分別選用0.85 mm

藥品：分析純NH4Cl。

1.2 方法

試驗(yàn)用NH4Cl溶液模擬富營(yíng)養(yǎng)化的污水，由分析純NH4Cl分別配制得到。在本實(shí)驗(yàn)中，NH4Cl質(zhì)量濃度分別設(shè)置為0、2.5、3.8、5、7.5、8.5、10 mg·L-1；靜置時(shí)間分別設(shè)置為10、30 min和1、2、3、5、11、24、34、36 h；高吸水樹(shù)脂用量分別為0.3、0.5、0.8，每個(gè)處理重復(fù)3次。

傅里葉紅外光譜分析：高吸水樹(shù)脂凝膠由Labconco FrwwZone 4.5型冷凍干燥系統(tǒng)冷凍后，將其放入傅里葉紅外光譜儀Nicolet iN10掃描測(cè)定，掃描波數(shù)范圍4 000～500 cm-1。

1.3 分析及計(jì)算方法

高吸水樹(shù)脂對(duì)NH4Cl溶液的吸附量Q(mg·g-1)、去除率R(%)和吸附速率v(mg·g-1·h-1)計(jì)算方法如下：

Q=(C0V0-C1V1)/m；

R=(C0-C1)/C0×100%；

v=ΔQ/t。

式中：C0為原溶液濃度(mg·L-1)；V0為加入溶液體積(L)；C1為加入溶液過(guò)濾后濾液濃度(mg·L-1)；V1為加入溶液過(guò)濾后濾液體積(L);m為加入溶液前的高吸水樹(shù)脂質(zhì)量(g)；ΔQ為一定時(shí)間內(nèi)的吸附量。所有測(cè)定均在室溫下進(jìn)行。

利用IBM SPSS 25進(jìn)行方差分析與多重比較，Origin 9.1進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理吸附量的動(dòng)態(tài)變化

所不同的是與小粒徑M、L相比，較大粒徑L1、L2高吸水樹(shù)脂吸附量呈緩慢上升趨勢(shì)，其吸附平衡時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，達(dá)到平衡時(shí)最大吸附量也較高。這可能是由于較小粒徑的高吸水樹(shù)脂在切割過(guò)程中受到了剪切應(yīng)力的作用致使交聯(lián)結(jié)構(gòu)遭到破壞，因此平衡吸附量低于較大粒徑；且小粒徑由于比表面積大而瞬間吸附膨脹，因而在初始階段吸附量上升較快且高于較大粒徑。

1/qt=(k1/qe1)×1/t+1/qe1；

(1)

(2)

qt=k3t0.5+c。

(3)

式中：qt為t時(shí)刻的吸附量(mg·g-1)；qe1與qe2分別為吸附平衡時(shí)的吸附量(mg·g-1)；k1與k2分別為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)(g·mg-1·h-1)；k3為顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)(mg·kg-1·min-1/2)；c為截距。

通過(guò)顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程進(jìn)一步分析高吸水樹(shù)脂擴(kuò)散機(jī)制。顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程表明若吸附量qt與吸附時(shí)間t0.5所擬合直線過(guò)原點(diǎn)，則顆粒內(nèi)擴(kuò)散是限制吸附速率的唯一因素。反之，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析，在吸附過(guò)程的3個(gè)階段中慢吸附階段所擬合直線未通過(guò)原點(diǎn)，說(shuō)明顆粒內(nèi)擴(kuò)散并非控制吸附速率的唯一因素，吸附過(guò)程還可能受到其他因素的控制。

表吸附動(dòng)力學(xué)曲線擬合參數(shù)

表2 高吸水樹(shù)脂在不同質(zhì)量濃度溶液中吸附平衡時(shí)的吸附量

2.2 初始質(zhì)量濃度對(duì)吸附量的影響

吸附等溫線可用于描述化學(xué)物質(zhì)在固相和液相之間的相互作用，利用Langmuir等溫吸附模型(4)與Freundlich等溫吸附模型(5)進(jìn)行擬合，擬合公式如下：

C/Q=C/Qmax+1/KLQmax；

(4)

lnQ=ln(Kf)+ln(C)/n。

(5)

表等溫吸附方程擬合參數(shù)

2.3 高吸水樹(shù)脂對(duì)吸附性能的影響

2.4 SAP吸附前后結(jié)構(gòu)表征

3 結(jié)論

粒徑大小對(duì)吸附平衡時(shí)的吸附量有顯著影響(P<0.05)，較大粒徑比小粒徑的高吸水樹(shù)脂能吸附更多的氨氮。其中粒徑4 mm

隨著高吸水樹(shù)脂用量增加，4種粒徑高吸水樹(shù)脂氨氮去除率均提高，而單位吸附量減少，即隨著用量的增加吸附效率是降低的，因此高吸水樹(shù)脂對(duì)氨氮的合理用量要綜合考慮去除率、吸附量和成本等因素來(lái)確定。在實(shí)驗(yàn)的2.5～7.5 mg·L-1氨氮質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，吸水樹(shù)脂的適宜用量為2 g·L-1。