孫菱翎 李曉穎 溫新悅 黃明秀 熊宇玲 王旭

摘 要：為了更有效地脫除廢水中的氨氮，選用人造沸石和活性炭混合作吸附劑，考察不同條件下廢水中氨氮的脫除效果，包括比例、用量、pH值、反應時間、初始濃度、溫度等，并通過等溫吸附和吸附動力學研究了吸附機理。結果表明：當沸石/活性炭為2/3、吸附劑用量為2.5g、pH為8、反應時間20min、氨氮廢水初始濃度為40mg/L、溫度為20℃時，氨氮的脫除率較高，屬于Langmuir吸附，符合擬二級動力學。

關鍵詞：人造沸石;活性炭;氨氮廢水;脫除率;動力學

中圖分類號：X703.1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2021）08-0070-05

引言

近年來，工農業(yè)發(fā)展突飛猛進，隨之而來的是逐日劇增的污水排放，其中，化工、化肥農業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)及催化劑廠等產生了大量的氨氮污水[1，2]，排放進河流湖泊，使水體缺氧變質，富營養(yǎng)化加劇，致使水中動植物產生中毒現象，人類的飲用水也產生嚴重危害甚至危及生命健康。因此減少污水排放或是將污水中污染物降低到標準濃度以下目前是一種較可行的方法。

目前，國內外處理氨氮的方法主要有：生物法、折點氯化法、化學沉淀法、離子交換法、吹脫法和電滲析法等。黃婧[3-5]等人采用的生物法仍處于實驗室階段，生物反應器不能廣泛應用。胡亮[6-8]等人用折點氯化法處理鉛鋅冶煉中產生的氨氮廢水，效果良好，但是此過程對藥劑的加入量要求較高，且會產生大量的余氯，不適合廣泛使用?；瘜W沉淀法[9-11]只適用于高濃度氨氮廢水的處理，并且在強堿性條件下會發(fā)生副反應，不利于去除氨氮。離子交換法[12]的優(yōu)點是成本低、工藝簡單、易操控，但樹脂再生困難，再生后仍含有大量氨氮，效果并不理想。吹脫法[13，14]用來處理高濃度的氨氮廢水，吹脫后氨氮可回收利用，方便且易于操作，應用廣泛，但用時較長，且氨氮剩余濃度并不是很低。余光亞[15]等人在電滲析過程中，對設備的設計、材料、不同條件的控制精度要求較高。

如何高效、快速、有效地處理氨氮廢水，找尋成本低廉、穩(wěn)定有利的處理技術是生態(tài)環(huán)境保護的一個重要的課題。此次主要研究以人造沸石和活性炭混合為吸附劑對廢水中氨氮進行脫除，為氨氮廢水的處理方面提供更多的經驗數據，為環(huán)境保護方面貢獻力量。

1 實驗試劑及實驗儀器

實驗室模擬氨氮廢水、人造沸石、活性炭、碘化鉀、氯化銨、二氯化汞、酒石酸鉀鈉、氫氧化鉀、試劑均為分析純。紫外可見分光光度計、磁力攪拌器、pH計、標準檢驗篩、電子天平、電熱鼓風干燥箱、超級恒溫水浴鍋。

2 實驗方法

2.1 氨氮含量的測定

廢水中氨氮含量的測定按照水質分析標準HJ535—009納氏試劑分光光度法進行測定。

2.2 實驗方法

2.2.1 氨氮脫除實驗

取氨氮廢水100ml，加入一定比例沸石和活性炭，調節(jié)溫度、pH，反應一段時間后，靜置過濾，取上清液測定吸光度。分別對吸附劑比例、用量、pH、反應時間、初始濃度、溫度逐一進行梯度實驗。

2.2.2 脫除率的計算

氨氮脫除率=[（初始氨氮濃度-剩余氨氮濃度）/初始氨氮濃度]*100%

由上式得到脫除率，作各個變量與脫除率的關系曲線圖。

2.2.3 吸附等溫實驗

分別配制20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L氨氮廢水溶液100mL，加入比例為2/3，質量共2.5g的沸石和活性炭，調節(jié)pH=8，溫度為20℃，反應20min，靜置，過濾。取上清液測定吸光度，計算剩余溶液中的氨氮濃度以及對應的吸附等溫實驗的數據。

2.3 標準曲線

配制0.0mg/L、0.1mg/L、0.2mg/L、0.6mg/L、1.0 mg/L、1.4mg/L和2.0mg/L的氨氮標準溶液。靜置20min，在420mm波長下，測量吸光度。數據如表1所示：

繪制校準曲線。橫坐標為氨氮初始濃度，縱坐標為吸光度，其標準曲線方程為：y=0.197x+0.0095，R2=0.9996，標準曲線符合工作曲線的要求。如圖1：

3 結果與討論

3.1 兩種吸附劑比例對氨氮脫除的影響

選用吸附劑用量5g、pH值=9、反應時間20min、氨氮廢水初始濃度為40mg/L、溫度為室溫條件下，考察不同吸附劑比例下的氨氮脫除率。

由圖2可以看出，隨著比例（沸石質量/活性炭質量）的增加，脫除率先急劇上升，后趨勢變緩至趨于穩(wěn)定，這是因為比例增加，沸石比重增大，沸石與氨氮接觸機會增多，故脫除率增大，當達到一定比例時，氨氮含量過低，不能被有效的吸附，趨勢減緩?？紤]圖中趨勢及市場上人造沸石高于活性炭價格等因素，因此選取比例（沸石質量/活性炭質量）2/3為較佳比例。并可以說明人造沸石吸附氨氮的能力大于活性炭。

3.2 吸附劑用量對氨氮脫除的影響

選用吸附劑比例（沸石質量/活性炭質量）2/3、pH值=9、反應時間20min、初始濃度為40mg/L、溫度為室溫條件下，考察不同的吸附劑用量對氨氮脫除率的影響。

由圖3可以看出，隨著吸附劑用量的增加，氨氮脫除率先快速增高后趨勢減緩。這是因為吸附劑用量增加，增加了與氨氮的接觸機會，使得氨氮迅速占據吸附劑孔隙，當達到一定脫除率時，吸附劑孔道減少，故脫除率減緩。所以考慮吸附劑成本及吸附趨勢，選取吸附劑用量2.5g。

3.3 pH對氨氮脫除的影響

選用吸附劑比例（沸石質量/活性炭質量）2/3、吸附劑用量為2.5g、反應時間20min、氨氮初始濃度為40mg/L、溫度為室溫，觀察不同pH對氨氮脫除效果的影響。

由圖4可以看出，隨著pH的增大，氨氮脫除率先緩慢增加，后呈下降趨勢，說明次吸附劑在偏酸及中性環(huán)境下易于脫除氨氮，而在堿性環(huán)境不利于氨氮的脫除。這是因為，在強堿性條件下，沸石和活性炭對氨氮的吸附能力減弱，造成脫除率降低，相反則吸附能力強。因此由圖中趨勢，選取pH=8。

3.4 反應時間對氨氮脫除的影響

選用吸附劑比例（沸石質量/活性炭質量）2/3、吸附劑用量為2.5g、pH=8、氨氮初始濃度為40mg/L、溫度為室溫，觀察不同的反應時間對氨氮脫除率的影響。

由圖5可以看出，隨著反應時間的增長，氨氮脫除率先急劇增加后趨于平緩。這是因為當反應時間小于20min時，反應較為劇烈;當反應時間在20min～50min時，反應過渡為穩(wěn)定狀態(tài);而當反應時間大于50min，反應基本上達到平衡。所以考慮省時高效等因素，選擇反應時間為20min。

3.5 初始濃度對氨氮脫除的影響

選用吸附劑比例（沸石質量/活性炭質量）2/3、吸附劑用量為2.5g、pH=8、反應時間為20min、溫度為室溫，考察不同的氨氮初始濃度為對氨氮脫除率的影響。

由圖6可以看出，隨初始濃度的增大，氨氮的脫除率不斷下降。這是因為在低濃度時，氨氮分子與吸附劑接觸的機會更多，而吸附劑的孔隙有限，所以在低濃度下更易進行吸附。說明吸附通常適用于低濃度氨氮廢水的處理。

3.6 溫度對氨氮脫除的影響

選用吸附劑比例（沸石質量/活性炭質量）2/3、吸附劑用量為2.5g、pH=8、反應時間為20min、氨氮初始濃度為40mg/L，考察不同的溫度對氨氮脫除率的影響。

由圖7可以看出，溫度對氨氮脫除沒有較大的影響，在溫度較高時，溶液中水分蒸發(fā)會帶出氨氮，所以一般情況下在室溫進行反應即可。

3.7 吸附等溫實驗

通過吸附等溫實驗的數據，可計算出吸附平衡后氨氮溶液的殘留濃度C以及平衡時氨氮的吸附量Q，根據Langmuir和Freundlich等溫吸附數學表達式[16]，即吸附等溫方程，繪制出Langmuir和Freundlich吸附等溫線。方程式如下：

Langmuir吸附等溫式線性方程為：

Freundlich吸附等溫性方程為：

式中：Q——平衡時氨氮吸附量，單位為mg·g-1;Qm——吸附劑表面所有吸附點均被吸附質覆蓋時的吸附量，即飽和吸附量;單位為mg·g-1;C——吸附平衡后氨氮溶液的殘留濃度，單位為mg·L-1;KL——Langmuir吸附等溫式的吸附平衡常數;KF——Freundlich吸附等溫式的吸附平衡常數;n——經驗常數。

根據Langmuir方程（1）和Freundlich方程（2）作圖8和9，計算出表2和表3的數據。

由上可以看出吸附過程中Langmuir的R2大于Freundlich，說明Langmuir的回歸性較好，所以符合Langmuir等溫吸附線。

3.8 吸附動力學實驗

吸附動力學研究吸附的快慢，與接觸時間相聯(lián)系。擬用一級動力學方程和二級動力學方程[12]對數據進行模擬，關系式如下：

擬一級動力學模型：

擬二級動力學模型：

式中：qe——平衡時氨氮的吸附量，單位為mg·g-1;qt——t時刻氨氮的吸附量，單位為mg·g-1;k1——一級動力學速率常數;t——反應時刻，單位為min;k2——二級動力學速率常數。

根據擬一級動力學模型（3）、擬二級動力學模型（4）作圖10以及圖11，計算各模型參數如表4、表5。

經相關度對比，擬二級動力學的R2大于擬一級動力學的數值，說明擬二級動力學的回歸性較好，故該吸附符合擬二級動力學。

4 結論

通過控制不同的條件，研究人造沸石、活性炭混合試劑對廢水中氨氮的吸附，得出以下結論：

（1）使用混合試劑吸附廢水中的氨氮較佳的吸附條件為：沸石質量、活性炭質量比例2/3;吸附劑用量為2.5g;pH=8;反應時間為20min;氨氮初始濃度為40mg/L;溫度為室溫?；旌显噭┩ǔ＿m用于低濃度氨氮廢水的吸附;符合Langmuir等溫吸附線，及擬二級動力學模型。

（2）采用混合試劑可以有效地去除廢水中的氨氮，且經濟可行，可以為廢水的處理提供一定的理論基礎，對水的富營養(yǎng)化方面有一定的抑制作用。在今后，開發(fā)更高效且用途廣泛的脫除劑具有廣闊的發(fā)展空間。

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