提纯硅藻土对废水中磷的吸附

2014-04-02张开永

中国矿业 2014年7期

张开永，黄玲

(华北科技学院，河北三河 065201)

随着经济的发展和各种工业企业排放的污水增多以及各种含磷肥料的使用，磷对环境的危害日益严重，尤其是对水的污染日益突出。传统的除磷工艺如化学法容易造成二次污染，成本也比较高，生物除磷则存在污泥处理放置难的问题。吸附是除磷的优选方法，吸附材料的选择很关键[1-2]。

由于硅藻土独特的微孔结构，利用其吸附性能来处理废水不仅可以降低成本，而且还可以更有效地利用矿产资源[3]。硅藻土在我国虽然储量较大，但由于我国硅藻土的品位普遍较低，其应用领域受到一定限制，造成了我国硅藻土资源的利用与环境之间的脱节，需要进行加工提纯后才能进行应用。目前硅藻土作为吸附剂处理废水主要是采用改性后的硅藻土进行废水处理[4-9]。但因改性硅藻土废水处理还是一项较新的技术，各方面还不完善，需要加强理论和工程实践上的进一步探索研究[10]。因此选择提纯后的硅藻土对磷素的降解研究具有一定的理论意义，既能解决目前水处理工艺存在的问题，又能节约资源，充分而有效地利用硅藻土资源，达到双赢的目的。本研究的实验水样选择浓度为2mg/L，它是针对实际中二级污水处理厂排出的污水磷含量而设计的，便于解决二级污水处理厂的出水磷达不到排放标准问题。

1 实验部分

1.1 实验样品

硅藻土样品是经过擦洗、过筛和沉降后提纯加工的样品，其化学组成成分如表1所示。

表1 硅藻土化学成分表/%

1.2 实验水样

生活污水经过管网收集进入处理装置前，其中磷元素已经大部分转化为无机磷，而且二级处理出水中磷元素基本以无机磷的形式存在，故本试验所用模拟含磷废水使用磷酸二氢钾与蒸馏水配制配制，配制溶液浓度为2mg/L，对应于二级污水处理厂出水磷浓度。

1.3 实验仪器和试剂

仪器：恒温水浴振荡器、可见分光光度计、电子天平、离心机、电热鼓风干燥箱、pH计。

试剂：氢氧化钠、盐酸、硫酸、抗坏血酸、钼酸铵、磷酸二氢钾、酒石酸镝氧钾。

1.4 实验方法

取数支50mL具塞比色管，分别加入磷酸盐标准使用液0mL、0.5mL、1.00mL、3.00mL、5.00mL、10.0mL、15.0mL，加水至50mL。向比色管中加入1mL10%抗坏血酸溶液，混匀。30s后加2mL钼酸盐溶液充分混匀，放置15min。然后用10mm或30mm比色皿，于700nm波长处，以零浓度溶液为参比，测量吸光度。

C=m/V

式中：m为式样测得含磷量，ug；V为测定用式样体积，mL。

2 结果及讨论

2.1 吸附剂量的确定

分别取8份50mL浓度为2mg/L的磷标准使用液于锥形瓶中，称取经烘干的硅藻土0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g、3.5g、4.0g，分别加入锥形瓶中混合。放在恒温水浴振荡器上震荡30min，温度为室温，震荡速率稳定。震荡完毕取出离心，离心转速3000r/min，离心时间2min，取上清液10mL置于50mL比色管中，加水至标线测定吸光度。硅藻土用量与磷去除率关系如图1所示。

图1 硅藻土用量与磷去除关系

由图1可知，当加入的硅藻土少于3.5g时，吸附量随着硅藻土的量的增大而增大。硅藻土用量为3.5g时，吸附基本达到平衡，硅藻土对磷的吸附达到93.9%。当加入的硅藻土大于3.5g时，吸附量没有明显的变化，这说明0.1mg磷大约对应需要3.5g硅藻土来吸附降解，在实际中可根据水体的含磷量确定硅藻土的投加量。

2.2 pH值的确定

分别取6份50mL浓度为2ug/mL的磷标准使用液于锥形瓶中，用0.1mol/L的HCl和NaOH调节pH值为2.5、4.0、6.0、8.1、10.8、12.5。每份加入3.5g烘干的硅藻土并且混匀，放在恒温水浴振荡器上震荡30min，温度为室温，震荡速率稳定。同样震荡完毕后取出离心，离心转速3000r/min，离心时间2min，取上清液10mL置于50mL比色管中，加水至标线测定吸光度。pH与磷去除率关系如图2所示。

图2 pH与磷去除关系

由图2可知，pH值越小对吸附越有利，当pH为2.5时，硅藻土对磷素的吸附降解去除率可达98.1%，硅藻土对磷素的吸附降解对应最佳pH值为3.0左右。当pH值依次增大时，吸附量依次减少，当溶液呈碱性时吸附量明显下降，去除率达不到50%。说明pH值对吸附的影响很大。此次试验结果与一般吸附试验pH对吸附的影响效果相反，可能与吸附剂本身的性质有关。

2.3 吸附时间

分别取7份50mL浓度为2ug/mL的磷标准使用液于锥形瓶中，用0.1mol/L的HCl和NaOH调节pH值为3.0左右。每份加入3.5g烘干的硅藻土并且混匀。分别放在水浴恒温振荡器上震荡5min、10min、15min、20min、25min、30min、40min。震荡完毕取出离心，3000r/min离心2min，取上清液10mL于50mL比色管中，加水至标线测定吸光度。吸附时间与磷去除率的关系见图3。

图3 吸附时间与磷去除率的关系

由图3可知，当时间小于20min时吸附量不断增加，当时间大于20min时吸附量变化不大，但有所减少。硅藻土对磷素的吸附降解最佳时间为20min。这说明当吸附时间达到20min时，吸附基本已经达到平衡状态。时间超过20min吸附量不会随时间增大，反而震荡等会让原本被吸附的磷素释放出来。实际处理过程中要严格吸附时间，使吸附效果达到最佳。

2.4 吸附温度

分别取7份50mL浓度为2ug/mL的磷标准使用液于锥形瓶中，用0.1mol/L的盐酸和氢氧化钠调节pH值为3.0左右.每份加入3.5g烘干的硅藻土混匀。分别设置水浴恒温振荡器温度为0℃、10℃、20℃、25℃、30℃、40℃、50℃，依次震荡30min。震荡完毕取出离心，3000r/min离心2min，取上清液10mL于50mL比色管中，加水至标线测定吸光度。吸附温度与磷去除率的关系见图4。

图4 吸附温度与磷去除率的关系

由图4可知，在0～50℃范围内温度变化对吸附效果的影响存在差异，但是差异不大。这说明温度对整个吸附的过程的影响相对于其他因素来讲不大。硅藻土对磷素的吸附降解对应最佳温度为25℃。低于或高于25℃效果稍差。温度太低或太高可能会导致硅藻土性质发生变化，实际中可在常温下进行吸附。

2.5 降解等温吸附曲线

利用50mg/L的磷酸盐储备液分别配置浓度为5.0mg/L、8.0mg/L、10.0mg/L、13.0mg/L、15.0mg/L、17.0mg/L、20.0mg/L的磷酸盐溶液。各取50mL不同浓度的溶液放入锥形瓶中，用0.1mol/L的HCl和NaOH溶液调节pH值为3.0左右，各加入3.5g烘干的硅藻土混匀。放在温度设置为25℃的水域恒温振荡器上振荡20min。震荡完毕取出离心，3000r/min离心2min，取上清液10mL于50mL比色管中，加水至标线测定吸光度。

用Freundlich方程拟合，结果见图5。

图5 Freundlich方程拟合曲线

由图5可知，该曲线拟合后R2=0.7736，1/n为1.4362，即n=0.6962。n处于0.5～2时吸附剂对吸附质较易吸附，小于0.5时容易吸附，大于2时较难吸附。n=0.6962说明硅藻土对磷的吸附在强度上属于较易吸附。lnK=-3.2229，K=0.04，K值偏小，说明吸附容量受浓度的影响较大。实际中，可以在处理前适当调节污水的磷浓度，然后再进行硅藻土吸附处理。