粉末活性焦对水中磷酸盐的吸附性能

2019-09-26孙晓菲陈桂芳安东海毛岩鹏马春元

中国环境科学 2019年9期

孙晓菲,陈桂芳,安东海,毛岩鹏,马春元

粉末活性焦对水中磷酸盐的吸附性能

孙晓菲,陈桂芳,安东海,毛岩鹏*,马春元

(山东大学,燃煤污染物减排国家工程实验室,山东济南 250061)

以蒙东褐煤为原料,通过沉降炉炭化活化一步法制备了粉末活性焦(COKE),其具有丰富的孔隙结构,以微孔为主,占据比表面积的79.3%.考察了活性焦对水中磷酸盐的吸附性能,并进一步研究了吸附时间、温度、初始pH值、初始磷酸盐浓度、活性焦投加量和共存离子对吸附过程的影响,以及吸附动力学、吸附等温线和热力学特征.结果表明:活性焦对水体中的磷酸盐具有良好的吸附性能.在30℃,pH=7的条件下,利用20.00g/L活性焦吸附1mg/L磷酸盐溶液, 60min即可达到吸附平衡,此时吸附率可达89.4%.当吸附温度越高(10~40℃),活性焦投加量越大,溶液pH值在6~7时,活性焦对水中磷酸盐的去除效果越好.共存离子的存在(NO3-、SO42-、CO32-)对活性焦吸附磷酸盐有抑制作用.活性焦对磷酸盐溶液的吸附过程较好符合Freundlich模型(2>0.99)和准二级动力学模型(2>0.99),最大吸附容量为1.746mg/g(30℃),并通过热力学分析发现此过程为自发的吸热反应.利用傅立叶红外光谱分析进一步表明,活性焦吸附磷酸盐主要依靠配位交换.与活性炭相比,活性焦性价比更高,具有良好的应用前景.

磷酸盐；吸附；活性焦；动力学模型；吸附等温线

随着我国城市化和工业化进程的加快,大量磷含量超标的工农业废水及生活污水肆意排放,而高浓度的磷会引起水体富营养化[1-3],破坏环境和生态平衡,严重影响水生生物的生存和人体健康[4-7].为了减少磷酸盐对环境的污染及达到国家排放标准[8],应对排放前水中多余的磷酸盐进行去除.目前除磷的主要方法有生物处理法[9-11]、膜过滤法[12-14]、离子交换法[15]、吸附法[16]等.其中吸附法[17-18]操作简单,无二次污染,快速高效,以及其稳定的去除效率和资源潜力,现已成为除磷的研究热点[19].

对于吸附法最重要的就是吸附剂的选择,分子筛[20]、碳纳米材料[21-22]、陶瓷[23]、沸石[24]、石墨烯[25]、活性炭[26-29]等都是良好的吸附剂.其中,活性炭具有发达的孔隙结构,较高的比表面积,丰富的官能团,特殊的物理性质和化学特性,对水中的有机物和无机物有着极强的吸附能力,现已被应用于水处理领域[30-33].但活性炭价格较高,应用于水处理成本较大,限制了其广泛使用,因而探索一种价格低廉的活性炭替代品成为研究的重点.

活性焦[34]是以天然材料(如煤、木炭、活性污泥等)为原料,利用沉降炉等进行不完全活化制备而成,工艺简单,生产成本低廉[35].活性焦具有与活性炭相似的吸附性能,发达的孔隙结构、丰富的表面官能团、较高的机械强度、成本低廉等优势[36],使其在水处理领域具有良好的应用前景.

本文对以低阶煤褐煤为原料通过炭化活化一步法所制备的活性焦进行分析,研究其对水中磷酸盐的吸附特性,探究活性焦在不同的吸附时间、温度、初始pH值、初始磷酸盐浓度、投加量和共存离子条件下对磷酸盐吸附性能的影响,并通过吸附动力学、吸附等温线及吸附热力学进一步探究其吸附特性.通过与椰壳活性炭进行比较,探究使用活性焦的经济性.分析吸附环境对活性焦吸附磷酸盐性能的影响,为含磷废水的净化提供了理论支持.

1 材料及方法

1.1 实验试剂

试剂磷酸二氢钾、盐酸、氢氧化钠、碳酸钠、硝酸钠、硫酸钠、钼酸盐、抗坏血酸、过硫酸钾、酒石酸锑钾、浓硫酸均为分析纯,由国药集团化学试剂有限公司提供.

1.2 吸附剂

图1 活性焦制备系统

活性焦(COKE):以蒙东褐煤为原料制备粉末活性焦.如图1所示,将粒径为150~180μm煤粉放入给料机,利用高纯N2(6.00L/min)将原料(2.91g/min)带进沉降炉,制备温度为800℃,通入O2(0.95L/min)、CO2(1.91L/min)和H2O g(1.59L/min),在炉内停留6s后获得活性焦.

椰壳活性炭(AC):本活性炭购自海南星光活性炭有限公司.使用前进行研磨,并筛分粒径为150~ 180μm粉末活性炭,清洗烘干备用.

1.3 活性焦的表征

表面形貌特征通过扫描电镜(SEM:DESK V)进行观察;表面官能团通过傅立叶变换红外光谱仪(FTIR:Nicolet6700)进行分析;等电点通过纳米粒度及Zeta电位分析仪(Horiba SZ-100Z)进行测量;表面孔隙结构通过全自动比表面积及微孔分析仪(BET:Autosorb-iQ)进行测量及分析计算.