分子筛对水中氨氮的吸附性能研究

王 琦， 田 媛， 马昆伦， 刘效兰

(北京工商大学 化学与环境工程学院， 北京 100048)

由于世界人口增长和社会经济的发展，大量生活污水和工业废水排入天然水体，污染了水源地，导致水体富营养化，使可使用的水资源日益减少. 目前，去除水中氨氮的方法主要有物理化学法和生物法. 其中物理化学法包括吹脱法、电吸附法、超声波法等，而生物脱氮法主要是利用微生物的硝化、反硝化作用去除多种含氮化合物[1]. 吹脱法适合处理高浓度氨氮废水，但去除率受温度的影响[2]；生物法工艺较复杂，运行麻烦，费用较高，受温度和有毒物质的影响较大[3]； 膜生物反应器处理效果好，流程简单，设备少，占地小,但处理量较小[4]； F.F复合分子筛是一种新型的材料，有很好的氨氮去除效果，并且价格便宜，使用方便,可重复使用[5-10]. 本研究通过实验室的模拟，研究了分子筛对水中氨氮的去除效果及其影响因素，并对吸附机理进行了初步探讨，为分子筛除氨氮的可行性和实用性提供了一定的依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

新型F.F复活分子筛，以下简称分子筛，比表面积大于800 m2，粒径一般为0.4～2.0 mm，堆积密度为0.8～1.0 g/cm3. 通过x衍射测定，这种分子筛是一种铝硅酸盐矿物，主要含有Si，Al，Na，Ca等元素以及少量的Sr，Ba，K，Mg等金属.

1.2 试验方法

采用静态试验的方法，利用恒温振荡器对分子筛的吸附性能和影响因素进行分析.

处理水：由氯化铵与去离子水配置；

测定方法：纳氏试剂比色法(GB7479—87).

2 结果与分析

2.1 分子筛粒径大小对氨氮去除效果的影响

分别选取3种粒径的分子筛各4 g，向其中加入100 mL氨氮浓度为5 mg/L的模拟污水，然后放置在恒温振荡器内，在室温、转速为120 r/min的条件下进行震荡，得到的静态吸附试验结果见图1.

图1 分子筛粒径对氨氮去除效果的影响Fig.1 Effect of diameter on NH3-N removal efficiency

由图1可知，分子筛对水中氨氮的去除效果，随粒径的增大而减少. 粒径小于0.9 mm时，去除率达80%；当粒径为0.9～2.0 mm时，去除率为78%；当粒径大于2 mm时，去除率仅为70%. 分子筛去除氨氮主要是依靠分子间色散力和大量的孔道，当粒径较小时，相同质量分子筛比表面积越大，孔径也更多，所以去除率同使用较大粒径时相比要高.

2.2 分子筛质量对氨氮去除效果的影响

将不同质量分子筛沸石加入100 mL，5 mg/L模拟含氨氮水中，放入恒温振荡器内，结果见图2.

图2 分子筛质量对氨氮去除效果的影响Fig.2 Effect of mass on NH3-N removal efficiency

2.3 停留时间对氨氮去除效果的影响

图3 停留时间对氨氮去除效果的影响Fig.3 Effect of time on NH3-N removal efficiency

2.4 pH值对氨氮去除效果的影响

配置若干份浓度为5 mg/L的模拟污水，用稀盐酸和氢氧化钠调节pH值，分别加入4 g分子筛，测定不同pH值对氨氮去除效果的影响，结果如图4.

图4 pH值对氨氮去除效果的影响Fig.4 Effect of pH on NH3-N removal efficiency

2.5 温度对氨氮去除效果的影响

配置若干份100 mL，5 mg/L的模拟污水，分别加入4 g分子筛，在不同的温度下进行恒温振荡，测定温度对氨氮去除效果的影响，结果如图5.

图5 温度对氨氮去除效果的影响Fig.5 Effect of temperature on NH3-N removal efficiency

图5显示了氨氮的去除效果随温度变化趋势. 随温度增加，氨氮的去除率逐渐上升，当温度为20 ℃时，分子筛对氨氮的去除率为80%；当温度升高到60 ℃时，氨氮的去除率达到84%. 温度升高后溶液中布朗运动增大，氨离子活度增强，更利于进入分子筛表面的孔径和通道，同时温度升高，水中氨更易挥发，导致氨氮去除率的上升.

3 分子筛机理分析

分子筛表面具有色散力和负电荷，通过色散力吸附溶液中的NH4+，降低NH4+和分子筛的表面距离，然后表面负电荷与NH4+产生静电吸附力，吸引阳离子前来中和负电性. 并且分子筛有大量的孔隙和孔道，比表面积大，活性高，在毛细力作用下，NH4+进入分子筛的孔道内，并与Na+发生离子交换作用，从而达到去除水中氨氮的目的[5].

4 结 论

分子筛对水中氨氮的去除率随着分子筛粒径的减小而增加；分子筛质量与氨氮的去除率呈正相关，当分子筛质量为4 g时，对100 mL，5 mg/L的模拟氨氮水的去除率达到了80%，质量超过4 g后随质量的增加去除率变化较小；氨氮去除率随停留时间的增加而增加，反应到40 min时基本达到了吸附平衡；在弱酸性和碱性条件下氨氮去除率有所增加，均超过90%；氨氮的去除效果随温度的升高而上升.