壳聚糖改性沸石分子筛去除硝酸盐氮机理研究

2023-07-12金小琳刘新泽郜玉楠

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2023年3期

关键词：滤层原水沸石

张黎,金小琳,刘新泽,郜玉楠

(1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁沈阳 110168;2.丹东市水利勘测设计研究院有限公司,辽宁丹东 118000;3.佛山科学技术学院环境与化学工程学院,广东佛山 528000)

1 试验

1.1 原水配制

采用KNO3配置含硝酸盐氮质量浓度为28～30 mg/L的试验原水,并用0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L的NaOH溶液调节试验原水的pH值为6.9～7.2。

1.2 试验材料与仪器

试验中所用沸石分子筛、壳聚糖、乙酸、硝酸钾、盐酸、氢氧化钠等材料均为分析纯,过滤介质材料为鹅卵石。主要仪器见表1。

表1 试验主要仪器Table 1 Experimental instruments

1.3 试验装置

图1为模拟工业滤池运行的试验装置图。使用高度为1 000 mm,内径为 25 mm的有机玻璃柱模拟除硝酸盐氮滤池。玻璃柱顶端设溢流口,底端设出水口,装置底部填入高度为50 mm的承托层,承托层采用粒径为5.0～6.0 mm的鹅卵石,滤层采用制备的壳聚糖改性沸石分子筛,同时在滤层上方设置高为150 mm 浸入水位。

图1 试验装置图Fig.1 Test device diagram

1.4 壳聚糖改性沸石分子筛的制备

将沸石分子筛用去离子水清洗干净后,置于真空干燥箱中,在温度105 ℃下干燥2 h后取出。分别配置体积分数为4%的乙酸溶液与7 g /L的壳聚糖溶液,将两者按相应比例溶解后获得壳聚糖乙酸溶液。在制得溶液中加入20 g沸石分子筛,放入振荡器中以30 ℃恒温、130 r/min振荡10 h,使其充分融合后取出,用去离子水不断冲洗直至中性,然后置于60 ℃的真空干燥箱中12 h,即得到壳聚糖改性沸石分子筛[10]。

2 结果与分析

2.1 最佳动态过滤参数

2.1.1 滤层高度

图2为室温条件下,pH值为7,滤速为4 m/h,原水硝酸盐氮质量浓度为30 mg/L时,控制滤层高度分别为300 mm,500 mm和700 mm时硝酸盐氮的去除率。

图2 滤层高度对硝酸盐氮去除效果的影响Fig.2 Effect of filter height on removal

2.1.2 滤速

图3 滤速对硝酸盐氮去除效果的影响Fig.3 Effect of filtration rate on removal

2.2 各影响因素对去除效果的影响

2.2.1 温度

图4表示在pH值为7,滤层高度为700 mm,滤速为4 m/h,原水硝酸盐氮质量浓度为30 mg/L时,不同温度下硝酸盐氮的去除率。相同时间对比下,温度为30 ℃时的硝酸盐氮去除率始终最大,20 ℃时次之,10 ℃时最小。这表明温度升高对吸附反应有促进作用,因为壳聚糖改性沸石分子筛吸附硝酸盐氮是吸热反应,其吸附硝酸盐氮的能力随着温度的升高而增强。因此,确定最佳温度为30 ℃。

图4 温度对硝酸盐氮去除效果的影响Fig.4 Effect of temperature on removal

2.2.2 pH值

图5为在室温、原水质量浓度为30 mg/L、滤层高度及滤速最优条件下,不同原水pH值下吸附硝酸盐氮效果。由图可知,随着原水pH值减小,壳聚糖改性沸石分子筛对硝酸盐氮的去除率逐渐提高,过滤效果更好。因为水中氢离子浓度提高,可以使吸附剂带有更多的正电荷,从而易于发生氨基质子化,同时溶液中硝酸根离子通过静电引力被吸附,增加了过滤能力。pH逐渐增大后,溶液中-OH不断增多,导致吸附剂表面携带一部分负电荷,引发电荷间互斥作用,进而减小去除率。因此,最佳pH为4.5～5.0。

图5 pH值对硝酸盐氮去除效果的影响Fig.5 Effect of pH value on removal

2.3 Thomas模型验证

采用Thomas动力学模型进行数据拟合,Thomas吸附动力学模型一般用于装置动态吸附曲线的绘制,且可以得出吸附剂吸附的饱和容量及速率常数[13-16]。

指数表达式:

(1)

线性表达式:

(2)

图6 Thomas模型线性拟合Fig.6 Thomas model linear fitting

由拟合系数R2=0.973 6可知,壳聚糖改性沸石分子筛吸附硝酸盐氮的过程与Thomas吸附动力学模型有较好的拟合[17],因此壳聚糖改性沸石分子筛对硝酸盐氮的吸附过程遵循Thomas动力学模型。经计算得到吸附剂对硝酸盐氮的饱和吸附量q0=0.103 mg/g。

2.4 过滤机理

2.4.1 SEM表征

图7为硝酸盐氮过滤前后壳聚糖改性沸石分子筛的形貌特征。吸附剂表面由规则的立方晶体组成,符合NaA型沸石的形貌[8]。根据BET检测结果,吸附剂的比表面积、平均孔径和孔体积分别为20.782 m2/g、3.56 nm、0.097 cm3/g。硝酸盐氮过滤后的吸附剂,原有孔洞被充分占据,表面原有的凹凸结构大量减少。