硅酸钙处理富营养化湖水中总磷的实验研究*

2013-10-17张连科杨冬梅韩剑宏曲堂超

无机盐工业 2013年11期

张连科，杨冬梅，韩剑宏，曲堂超

［1.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头 014010；2.包钢稀土（集团）高科技股份有限公司］

湖泊的富营养化是当前一个十分严重的环境问题。随着工农业生产大规模的发展，工业和生活废水成分越来越复杂，并且不断地进入湖泊等水体，造成氮、磷等营养物质含量过多。在光照充足和其他适宜的环境条件下，水体中富含的这些营养物质加快了藻类的繁殖速度，随着藻类死亡和一些微生物代谢活动的增强，水体中的溶解氧可能被逐渐耗尽，从而造成水体质量的严重恶化。湖泊的富营养化分泌出大量浮游藻类，部分藻类种群会释放毒素，对鱼类养殖和人畜饮用造成不良影响。富营养化评价遵从国家环境监测总站颁发的文件要求，选取叶绿素a（Chla）、总磷（TP）、总氮（TN）、透明度（SD）、高锰酸盐指数（CODMn）5项指标作为评价因子营养状态指数［1］。研究表明，富营养化水体的控制因素主要是磷元素［2］。笔者以总磷为研究对象，探讨如何高效去除总磷以降低富营养化程度。除磷的方法主要有化学沉淀法、生物法、离子交换法、结晶法、吸附法等［3-4］。有学者采用沸石为材料对磷进行吸附［5］，硅酸钙是由高铝粉煤灰提取氧化铝粉后产生的一般工业废弃物，其比表面积较大、内部微孔发达，考虑到废弃物资源化及硅酸钙本身的特点，结合其他学者的研究成果，尝试将硅酸钙应用于处理富营养化湖水中的总磷，探讨其应用的可能性及其影响因素，扩大了硅酸钙的应用场合，同时可以解决总磷去除的问题［6］。

1 实验

1.1 实验材料

实验所使用的硅酸钙是来自粉煤灰提取高铝粉后的工业废弃物（内蒙古大唐国际再生资源开发有限公司），其主要化学组成：w（SiO2）=43.6、w（CaO）=44.8%、w（Fe2O3）=0.065%、烧失量为 10%。硅酸钙的电镜测试显示其结构主要呈蜂窝状、层状、卷曲层状，微粒内部及表面孔隙发达［7］。

1.2 实验分析方法

总磷浓度采用GB/T 11893-1989《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》测定［8］。

1.3 实验方案

1.3.1 静态单因素实验

分别称取一定量的硅酸钙加入6个100 mL烧杯中，杯内装有取自某湖泊的富营养化水，在振荡器上以150 r/min的速率振荡一段时间后再静置，取上清液过滤后采用标准检验法测量溶液中总磷浓度，考察pH、硅酸钙投加量、振荡时间等因素对总磷去除率的影响。

1.3.2 等温吸附实验

吸附等温研究对象是一定吸附剂对吸附质的吸附能力的表征，根据静态实验的初步结果，在室温下分别取100 mL的水样置于6个锥形瓶中，再向每个锥形瓶中加入不同质量的硅酸钙，在150 r/min的条件下振荡1 h，静置取上清液，分析滤液中的总磷浓度。

2 结果讨论与分析

2.1 静态单因素实验

2.1.1 硅酸钙投加量对吸附性能的影响

将 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2g 硅酸钙分别与 100mL的水样混合，按照1.3.1节的设计，测定总磷含量并计算其去除率，结果见图1。由图1可知，随着硅酸钙投加量的增大，总磷的去除率也逐渐增大；但投加量达0.8 g以后，总磷去除率的变化趋势并不明显。综合考虑经济成本以及节约资源能源等方面的因素，确定硅酸钙对总磷去除的最佳投加量为0.8 g（以100 mL湖水水样计），此时水样中剩余总磷的质量浓度在夏季和冬季分别为0.040 mg/L和0.059 mg/L。

图1 硅酸钙吸附剂的投加量对总磷去除率的影响

2.1.2 吸附时间对硅酸钙吸附性能的影响

吸附性能中影响因素较大的是吸附时间，将上述实验中较佳的硅酸钙投加量与100 mL的水样混合，分别振荡 20、40、60、80、100、120 min 后静置、过滤，取其滤液测定指标分析，结果见图2。由图2可知，当吸附时间由20 min增至120 min时，硅酸钙对总磷的去除率在夏季和冬季均呈现先增大后减小的趋势。夏季吸附60 min时，总磷的去除率达到最大（86.67%）；冬季吸附80 min时达到了吸附平衡。这是因为随着时间延长，硅酸钙对总磷产生了解析现象，使得其去除率降低。综合考虑，选择硅酸钙对富营养化湖水中总磷的最佳吸附平衡时间为60 min。

图2 振荡时间对总磷去除率的影响

2.1.3 pH对硅酸钙吸附性能的影响

考虑氨、氮在不同pH条件下可能存在着不同的状态，同时也可能导致去除效果有较大的区别，实验中分别控制 pH 为 2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0，其他按照1.3.1节的设计，测定总磷含量并计算其去除率，结果见图3。由图3可知，夏季和冬季中总磷的去除效果趋势基本相同，都呈现了先增大后减小的趋势。这是因为硅酸钙吸附剂的主要成分是一些碱性氧化物（SiO2和CaO），在强酸性环境中，溶液中的H+使这些具有络合凝聚作用的碱性氧化物失活，但同时由于析出的钙离子又有絮凝沉淀作用，因此使得对总磷的吸附能力保持在50%左右；此外，较高的pH使硅酸钙表面带有大量的负电荷，由于静电斥力的影响使磷酸根不易接近硅酸钙颗粒表面［4］，使磷的去除率逐渐下降。因此，确定水样的最佳pH为6。

图3 pH对总磷去除率的影响

2.2 硅酸钙对总磷的等温吸附

通常采用Langmuir等温式和Freundlich等温式可以描述吸附动力学。前者是单分子层吸附模型，后者是经验吸附等温式，一般是多分子层吸附。按照1.3.2节的方法将结果取倒数得到Langmuir等温式，绘制倒数直线拟合得到Freundlich等温式，如图4和图5所示。Langmuir和Freundlich等温式的线性相关系数分别为 0.9793和 0.9677，Langmuir和Freundlich公式均能很好地描述硅酸钙对总磷的吸附作用，实验所用硅酸钙对总磷的最大吸附量（Qmax）为5.32 mg/g，表明该硅酸钙具有很好的总磷吸附能力。