郜玉楠,李懋鋒,包順宇,劉佳琦

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)

1 試 驗

1.1 試驗原水

以東北地下水污染現(xiàn)狀為依據(jù),試驗以氯化銨與蒸餾水配置成質(zhì)量濃度為5 mg/L的氨氮原水,原水中僅氨氮超過我國《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749—2006),水中無其他影響污染物。

1.2 試驗材料與儀器

主要試驗材料有沸石分子篩、殼聚糖(脫乙酰度大于90%)、鵝卵石、乙酸、鹽酸、氫氧化鈉,以上化學(xué)試劑均為分析純。

試驗儀器主要有真空干燥箱(LVO—6210);掃描電子顯微鏡(S4800);數(shù)顯控濕磁力損器(85-2)；紫外可見分光光度計(752)；蠕動泵(YZ1515X)。

試驗采用高為1 000 mm,內(nèi)徑為 250 mm,上端設(shè)溢流口,下端設(shè)出水口的有機玻璃柱模擬除氨氮濾池。試驗裝置如圖 1 所示。

圖1 動態(tài)試驗裝置圖Fig.1 Dynamic test device diagram

1.3 試驗方法

1.3.1 殼聚糖改性沸石分子篩的制備

稱取沸石分子篩用去離子水洗滌干凈,放入105 ℃的真空干燥器中干燥2 h,取出備用;稱取一定量的沸石分子篩放入100 mL乙酸濃度為2%,殼聚糖質(zhì)量濃度為5 g/L的殼聚糖乙酸凝膠中,置于磁力攪拌器上攪拌10 h,取出放入60 ℃的干燥器中干燥12 h,即制得殼聚糖改性沸石分子篩[12]。

1.3.2 殼聚糖改性沸石分子篩過濾除氨氮試驗

將制備好的殼聚糖改性沸石分子篩裝填到如圖1所示的有機玻璃柱內(nèi),有機玻璃柱底部裝填50 mm,粒徑為 5.0～6.0 mm 的鵝卵石作為承托層,裝填一定高度的殼聚糖改性沸石分子篩,濾層以上預(yù)留淹沒水位150 mm。水箱內(nèi)含氨氮原水質(zhì)量濃度為5 mg/L,含氨氮原水經(jīng)由蠕動泵以一定速度流入濾柱,通過出口設(shè)置的蠕動泵改變?yōu)V柱的濾速。

1.3.3 氨氮質(zhì)量濃度的測定

采用納氏試劑分光光度法測定氨氮質(zhì)量濃度,氨氮的去除率為

(1)

式中:R為氨氮的去除率,%;C0為氨氮初始質(zhì)量濃度,mg/L;Ct為氨氮t時刻質(zhì)量濃度,mg/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.1.1 濾層高度

在室溫、pH值為7、濾速為4 m/h、氨氮原水質(zhì)量濃度為5 mg/L的條件下,設(shè)置濾層高度分別為10 cm、30 cm、50 cm和70 cm,殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的去除效果如圖2所示。

圖2 濾層高度對去除效果的影響Fig.2 Effect of filter height on removal efficiency

由圖2可知,在不同濾層高度條件下,殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的去除率隨著過濾時間的延長逐漸下降,但在過濾的整個過程中濾層高度為70 cm的殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的去除率始終優(yōu)于濾層高度為10 cm、30 cm、50 cm的去除率。濾層高度為70 cm時,對氨氮的去除效果最好,可達到93.41%;濾層高度為10 cm時,對氨氮的去除率最低為17.48%。由此可見,濾層高度對氨氮的去除效果起到至關(guān)重要的作用,濾層高度在70 cm時,濾料的數(shù)量相對較多,殼聚糖改性沸石分子篩對于氨氮吸附位點相對較多,對氨氮的去除率較高。因此確定濾層高度為70 cm。隨著時間的延長過濾效果逐漸下降,這是因為過濾時水流過濾料層必然產(chǎn)生水頭損失,隨著過濾時間的增加,濾層所截留的雜質(zhì)增多,使得濾層逐漸的阻塞,這樣減小了孔隙率,增大了水頭損失導(dǎo)致了去除率降低[13]。

2.1.2 濾 速

在室溫、pH值為7、濾層高度為70 cm、氨氮原水質(zhì)量濃度為5 mg/L的條件下,調(diào)節(jié)出口設(shè)置的蠕動泵轉(zhuǎn)速控制濾速分別為2 m/h、4 m/h和6 m/h,氨氮的去除效果如圖3所示。

由圖3可知,不同濾速條件下的殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的去除率隨著過濾時間的延長而不斷下降,過濾開始60 min后,濾速為2 m/h和4 m/h的殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的去除效果最好,并且去除率相近,分別為95.42%,93.41%,但當濾速為2 m/h時始終略優(yōu)于濾速為4 m/h的過濾出水,二者過濾效果明顯優(yōu)于6 m/h的過濾出水。進行到420 min時,去除率分別下降到66.48%、59.46%和40.96%。由此可得濾速對氨氮的過濾效果有較大的影響,濾速減慢,水中的氨氮可以和殼聚糖改性沸石分子篩表面得到充分的接觸,原本來不及擴散到殼聚糖改性沸石分子篩表面空隙中的氨氮就擴散到殼聚糖改性沸石分子篩表面乃至內(nèi)部孔隙中,大大加強了殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的吸附作用。但結(jié)合實際情況,考慮到濾速為2 m/h時,過濾水量較少,效率并不高,而濾速為4 m/h時,殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的過濾效果與2 m/h近似相等,因此選擇過濾濾速為4 m/h。

2.2 不同影響因素對去除氨氮的影響

2.2.1 溫度的影響

在pH值為7,濾層高度為70 cm,濾速為4 m/h,氨氮原水質(zhì)量濃度為5 mg/L的條件下,控制溫度分別為10 ℃、20 ℃和30 ℃,探究溫度對氨氮的去除效果影響如圖4所示。

圖4 溫度對氨氮去除率的影響

由圖4可知,不同溫度條件下殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的去除率隨著過濾時間的延長逐漸下降,但在過濾的整個過程中溫度為30 ℃時,殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的去除率始終優(yōu)于溫度為10 ℃和20 ℃的過濾出水,隨著溫度的升高,殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的去除效果逐漸增加,這是因為吸附過程為吸熱反應(yīng),隨著溫度的升高,增加了去除氨氮的效果,由此可知溫度的升高有利于殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的吸附。

2.2.2 pH值的影響

在室溫、濾層高度為70 cm、濾速為4 m/h、氨氮原水質(zhì)量濃度為5 mg/L的條件下,原水pH值分別調(diào)至6.5、7.5和8.5,殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的去除效果如圖5所示。

圖5 pH值對氨氮去除率的影響

2.2.3 原水質(zhì)量濃度的影響

在室溫、pH值為7、濾層高度為70 cm、濾速為4 m/h的條件下,控制原水質(zhì)量濃度分別為3 mg/L、5 mg/L和7 mg/L,殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的去除效果如圖6所示。

圖6 原水質(zhì)量濃度對氨氮去除率的影響

由圖6可知,不同原水質(zhì)量濃度條件下殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的去除率隨著過濾時間的延長逐漸下降,但在過濾的整個過程中原水質(zhì)量濃度為7 mg/L的殼聚糖改性沸石分子篩對氨氮的去除率始終優(yōu)于原水質(zhì)量濃度為3 mg/L和5 mg/L的過濾出水;這是因為隨著原水質(zhì)量濃度的增大,較高濃度能夠作為驅(qū)動力,克服溶液和吸附劑表面的阻力,因而使氨氮的去除率增大。

2.3 SEM分析

分別對沸石分子篩、殼聚糖改性沸石分子篩、過濾吸附氨氮的殼聚糖改性沸石分子篩進行SEM表征,然后分析其表面形貌，SEM圖像如圖7所示。

圖7 SEM圖像Fig.7 SEM image

從圖7可知,沸石分子篩的SEM圖像(見圖7(a))表面可觀察到形狀規(guī)則、均勻分散的立方晶體,有一定數(shù)量孔洞,孔徑較大。圖7(b)中可觀察到材料表面粗糙,有較明顯的輪廓和脈絡(luò),整體呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這是由于殼聚糖負載到沸石分子篩表面和孔隙上,凹凸結(jié)構(gòu)增多,微孔的數(shù)量增加,由此可知殼聚糖成功的負載到沸石分子篩上,增強對氨氮的吸附作用[15-16]。圖7(c)中可以看出,吸附氨氮后其表面原有的脈絡(luò)和凹凸結(jié)構(gòu)均消失,原有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)較多雜質(zhì),孔徑也被占滿,說明殼聚糖改性沸石分子篩成功吸附了水中的氨氮。

3 結(jié) 論

(1)確定殼聚糖改性沸石分子篩過濾的最佳工藝參數(shù)為濾層高度為70 cm,濾速為4 m/h。

(2)通過對殼聚糖改性沸石分子篩過濾影響因素的研究,得出溫度為30 ℃時,對氨氮的去除效果最好可達到97.31%;pH值為6.5時,對氨氮的去除率最高為96.98%;原水質(zhì)量濃度為7 mg/L時,對氨氮的去除效果最好可達到97.1%。

(3)殼聚糖改性沸石分子篩表面出現(xiàn)表面粗糙,且凹凸不平,過濾后殼聚糖改性沸石分子篩表面出現(xiàn)較多雜質(zhì)。該新型吸附顆?？勺鳛闉V料用于水廠的提標改造。