过氧化钙对水中低浓度磷的去除性能*

2015-05-10李文朝潘继征

湖泊科学 2015年3期

关键词：低浓度磷酸盐吸附剂

熊鑫，柯凡，李勇，李文朝，潘继征，张洪，高亚

(1：苏州科技学院，苏州215009)

(2：中国科学院南京地理与湖泊研究所，南京210008)

过氧化钙对水中低浓度磷的去除性能*

熊鑫1，柯凡2，李勇1，李文朝2，潘继征2，张洪1，高亚1

(1：苏州科技学院，苏州215009)

(2：中国科学院南京地理与湖泊研究所，南京210008)

过氧化钙；磷酸盐；除磷；低浓度

近年来我国大量湖泊呈不同程度的富营养化状态，水质恶化、生态结构破坏，影响了水体的生态平衡[1].磷是水体富营养化的主要控制因子之一[2]，滇池全湖平均总磷浓度为0.23 mg/L，局部地区可高达0.51 mg/L[3]，巢湖平均总磷浓度为0.24 mg/L[4]，澄湖平均总磷浓度为0.23 mg/L[5]，虽然这些富营养化水体中的磷仍远低于生活污水，但是依据地表水环境质量标准(GB 3838-2002)，滇池和巢湖都属于劣Ⅴ类水，仅太湖属于Ⅳ类水，因此有必要控制或削减此类水体中的磷浓度，提高其水质等级.

磷在水体中的主要存在形式为颗粒态和溶解态.颗粒态磷通过沉降、过滤等方法较易去除；溶解态磷包括正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷，聚磷酸盐和有机磷在酸性条件下会水解为正磷酸盐，因此在除磷过程中，主要考虑对正磷酸盐的去除[6].目前用于去除水体中低浓度磷的方法主要有生物法、吸附法和化学法等.生物除磷技术主要包括人工湿地和A/O处理工艺等.人工湿地在应用过程中易受气候影响，基质易堵塞，对低浓度磷污染的自然水体净化效果不明显，而A/O处理工艺灵活、稳定性差，易发生污泥膨胀[7].吸附法主要是依靠吸附剂与污水中磷之间的物理化学反应来达到将磷从废水中分离开来的目的.Zhu[8]采用回转窑用1200℃烧成的球状陶粒做了吸收磷的实验，结果表明其最大吸附量为3.465 mg/g.Xiong等[9]利用泥煤进行除磷，研究表明该吸附剂最大除磷量为8.91 mg/g.吸附法中常用的吸附剂在除磷时吸附容量有限、易饱和，需要频繁更换[10-11].化学法则常用铝盐和铁盐等金属盐进行絮凝除磷[12-13].而目前国际上由于镧化合物与锆化合物的吸附量较大成为热门的研究除磷材料.Zhao等[14]研究发现镧-铜复合氧化物比铁盐和铝盐有更高的除磷能力，实验表明吸附剂最大吸附量为63.88 mg/g.Rodrigues等[15]研究发现，氢氧化锆是一种吸附性能好、化学稳定性和热稳定性较好的固体吸附剂，其最大吸附量为61 mg/g.虽然镧化合物与锆化合物的吸附量比传统吸附法和生物法要大，但是价格较为昂贵.因此为了去除自然水体中的低浓度磷，急需寻找一种除磷能力强、成本较低并且无毒无害的除磷材料.

本文主要通过以下几个方面开展CaO2对磷酸盐吸附特性研究：(1) 考察CaO2对磷的吸附等温线，确定其最大吸附量；(2) 考察温度对CaO2除磷效果的影响，建立吸附热力学模型；(3) 研究CaO2在不同浓度下的除磷速率，建立吸附动力学模型；(4) 探讨pH和共存阴离子对CaO2除磷效果的影响.

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器

CaO2粒度通过英国Malvem出厂的MastSizer 2000型激光粒度分析仪进行测定，结果如图1所示，粒度中值为52.481μm，粒度主要集中在7.586～158.489μm，粒度峰值为60.256～69.183μm.pH采用梅特勒-托利多实验室pH计(FE20)测定，吸光度采用752紫外-可见分光光度计测定，震荡过程采用HZ-9511K恒温震荡器来完成，磷酸盐采用钼酸铵分光光度法测定[26].

图1 CaO2粒径分布Fig.1 Distribution of CaO2 particle size

1.2 实验方法

1.2.1 吸附剂对磷酸盐的等温吸附研究分别称取0.05 g CaO2放入7个250 ml的锥形瓶中，依次加入50、100、150、200、250、300、400 mg/L的KH2PO4溶液50 ml.然后置于恒温摇床中以140转/min在25℃下震荡24 h，待震荡完成后在3000转/min下离心5 min，最后测定上清液中磷酸盐的浓度.CaO2的吸附量按式(1)来计算：

(1)

式中，Qt为t时刻吸附剂对磷的吸附量(mg/g)，C0为磷的初始质量浓度(mg/L)，Ct为t时刻上清液磷的质量浓度(mg/L)，V为溶液体积(L)，m为吸附剂的质量(g).

在温度恒定的条件下，吸附剂对磷酸盐的吸附现象采用Langmuir(式2)和Freundlich(式3)模型进行拟合，来表征其表面吸附量以及溶质平衡浓度之间的关系.

(2)

lnqe=lnKf+lnCe/n

(3)

式中，Ce是溶液中磷的平衡质量浓度(mg/L)，qe是吸附剂吸附平衡的能力(mg/g)，qmax是吸附剂吸附磷的理论最大能力(mg/g)，KL是吸引力常数(L/mg)，Kf(mg/g)和n是Freundlich常数.

1.2.2 吸附剂对磷酸盐的吸附热力学分别称取0.05 g CaO2放入7个250 ml的锥形瓶中，依次加入50、100、150、200、250、300、400 mg/L的KH2PO4溶液50 ml.然后置于恒温摇床中以140转/min震荡24 h，待震荡完成后在3000 转/min下离心5 min，最后测定上清液中磷酸盐的浓度.改变温度(5、25、40℃)进行对比实验.CaO2对磷酸盐的吸附热力学参数通过式(4)、(5)、(6)来计算：

ΔG0=ΔH0-T·ΔS0

(4)

Kd=qe/Ce

(5)

(6)

式中，ΔS0、ΔH0和ΔG0分别是吸附过程中的熵变、焓变和吉布斯自由能；R是气体常数，为8.314；T是温度(K).

1.2.3 吸附剂对磷酸盐的吸附动力学分别称取0.005 g CaO2放入3个1000 ml的锥形瓶中和0.5 g CaO2放入1000 ml的锥形瓶中，依次加入0.5、1、5、100 mg/L的KH2PO4溶液500 ml，然后置于恒温摇床中以140转/min进行连续震荡.隔1、2、3、4、5、7、10、15、20、25、30、40、50、60、90、120 min后，通过水系针头滤器(13mm×0.45μm)从锥形瓶中抽取1 ml并过滤定容到25 ml，测定溶液液中磷的浓度.CaO2对磷酸盐的吸附动力学采用Pseudo-first-order(式7)和Pseudo-second-order(式8)模型拟合：

(7)

(8)

式中，qe(mg/g)和qt(mg/g)分别是吸附量平衡时和吸附时间t时刻的吸附含量，k1(min-1)是Pseudo-first-order的吸附速率常数，k2(mg/(g·min))是Pseudo-second-order的平衡速率常数.

1.2.4 pH值对吸附剂除磷性能的影响分别称取0.005 g CaO2放入8个250 ml的锥形瓶中，依次加入1 mg/L的KH2PO4溶液500 ml.用0.1 mol/L的NaOH和0.01 mol/L的HCl溶液将初始溶液的pH值调至4、5、6、7、8、9、10、11.然后置于恒温摇床中以140转/min进行连续震荡吸附.温度25℃下震荡24 h，待震荡完成后在3000转/min下离心5 min，最后测定上清液中磷的浓度.

2 结果与分析

2.1 吸附剂对磷酸盐的等温吸附拟合曲线

CaO2在5、25、40℃下的吸附等温线如图2a所示，在25℃下CaO2对磷酸盐的最大吸附量达到了381.7 mg/g，并且随着温度的升高除磷效果逐渐减弱.CaO2对磷酸盐的Langmuir和Freundlich拟合等温吸附方程相关参数如表1所示.

表1 CaO2的等温吸附方程及相关参数

2.2 吸附剂对磷酸盐的热力学曲线拟合

2.3 吸附剂对磷酸盐的吸附动力学模型

从图2b、图2c可以看到不同浓度下CaO2除磷的动力学特征，CaO2对磷酸根的吸附存在一个吸附平衡(图2b).吸附开始时，吸附速率随时间呈直线上升趋势，在4 min左右达到平衡状态.这是因为吸附开始时溶液中磷酸根浓度较高；随着吸附时间的延长，吸附速率减缓最终达到平衡状态.采用Pseudo-first-order和Pseudo-second-order动力学模型对磷的吸附动力学进行拟合，参数结果如表2所示.

表2 CaO2在不同初始浓度下的除磷动力学模型和相关参数

*CaO2投加量为0.5 g.

2.4 pH值对吸附剂除磷性能的影响

pH对CaO2的除磷效果影响明显，在pH为4～7时CaO2的除磷效果随着pH的升高而升高，pH为7～9时CaO2的吸附量较大且较为稳定，在pH为9～11时CaO2的除磷效果随着pH的升高而降低，即在偏碱性条件下CaO2的除磷效果较好(图2d).

2.5 共存阴离子对吸附剂除磷性能的影响

表3 不同浓度共存阴离子对CaO2除磷效果的影响

图2 CaO2对磷酸盐的吸附等温线(a)；CaO2对不同初始浓度磷溶液的吸附量(b)和去除动力学曲线(c)；初始pH值对磷吸附能力的影响(d)Fig.2 Adsorption isotherms(a); CaO2 adsorption of different initial concentrations of phosphorus solution(b); the kinetics curve of phosphorus removal(c); the influence of the initial pH value(d)

3 讨论

3.1 吸附能力

Langmuir方程是基于单分子层假设推导得出的，可以通过它估算出吸附剂对磷的理论饱和吸附量；Freundlich方程是基于经验数据拟合提出的，是一种单组分吸附平衡的经验描述，可以用来描述吸附剂对磷的吸附能力大小[27].由表1可以看出，CaO2达到吸附平衡时，其除磷行为较符合Langmuir方程，属单分子层的化学吸附[28].由Langmuir方程计算出CaO2在25℃时的最大吸附量为381.7 mg/g，随着温度的升高最大吸附量稍有降低.

与其他一些吸附剂的除磷效果相比，CaO2的除磷效果是非常好的，具体结果如表4所示.比较发现CaO2的除磷效果是传统吸附材料的3～10倍，是近年来一些热门材料的5～28倍，可见使用CaO2是一种非常好的除磷选择.

表4 不同吸附剂除磷效果比较

3.2 热力学

通过吸附热力学的研究，可以了解吸附过程进行的趋势、程度和驱动力.因此，根据吸附实验数据计算标准热力学函数的变化，是吸附热力学研究的重要内容，具有理论和实际意义.由热力学参数可知CaO2的除磷过程.一方面，CaO2在对磷酸盐的吸附过程中ΔH0<0，表明它的除磷过程是一个放热过程.另一方面，吉布斯自由能ΔG0<0，说明它的除磷过程是一个自发的过程，即CaO2对磷的作用力大于吸附剂与被吸附剂之间的能量势垒，随着温度的升高，体系的ΔG0逐渐减小，表明随着温度的升高，吸附速率加快[34].另外，吸附过程的熵变ΔS0为正值，说明溶液中磷倾向于优先选择在CaO2表面吸附.因为在固液吸附体系中,同时存在溶质的吸附和溶剂的解吸,溶质分子吸附在吸附剂上,自由度减小,是熵减小的过程,而溶剂分子的解吸是熵增大的过程，后者的作用导致系统的熵增加远大于溶液中磷被吸附所引起的熵减小，整个系统熵值增大[35-36].因此，在常温下采用CaO2进行除磷，水体中的磷酸根能自发地与其发生反应而得到去除，且在常温下CaO2的吸附量只比低温下衰减了4.6%，即CaO2在常温也拥有很强的除磷能力.

3.3 吸附动力学

吸附速率是评价吸附剂吸附性能的一个重要因素，通过吸附动力学的研究，可以了解CaO2的除磷速率以及对磷酸盐的去除率.对照表2可以看出，CaO2对磷酸盐的吸附速率能很好地符合Pseudo-second-order方程(相关系数均大于0.99).从Ozacar[37]的研究可知，吸附速率与拟合直线的截距呈反比，因此在相同条件下，通过初始磷浓度、平衡磷浓度、平衡时间以及CaO2投加量可计算出CaO2在磷酸盐浓度为5 mg/L时吸附速率最大值为91.31 mg/(g·min)，且CaO2的吸附速率会随着溶液中磷酸盐浓度的升高而升高.

由图2c可以看出，随着磷酸盐浓度的升高，CaO2对磷的去除率也逐渐升高.在处理0.5 mg/L的磷酸盐溶液时，平衡浓度为0.09 mg/L，去除率可达82%.当增加CaO2的投加量、处理100 mg/L的磷酸盐溶液时，平衡浓度为0.91 mg/L，去除率能达到99%，即CaO2对磷酸盐的吸附量随着溶液中磷酸盐浓度的增加而增加.这是由于溶液浓度是影响吸附剂除磷的主要因素之一.首先，溶液浓度越高，可供基质吸附的磷就越多；其次，溶液与基质外表面液膜之间的浓度差会随着溶液浓度的升高而增大，进而导致磷向基质表明迁移的推动力增大，所以，溶液浓度的增大有利于提高基质对磷的吸附量.

3.4 pH的影响

3.5 共存阴离子的影响

4 结论

针对低浓度磷酸盐的去除，从多个方面考察了CaO2的除磷特性.结果表明：CaO2对磷的去除高度符合Langmuir方程，属于单分子层的化学吸附，理论上对磷的最大吸附量为381.7 mg/g(25℃)，远高于镧铁复合吸附剂和锆铁复合吸附剂等；通过二级动力学能够很好地描述CaO2的吸附行为，它的吸附速率随着溶液中磷酸盐浓度的升高而升高，并且吸附量随着溶液浓度的增大而增大；在常温下，CaO2的除磷反应是一个自发的、放热过程；在处理低浓度的磷酸盐溶液时，CaO2的最佳pH为8.0，并且有很强的抗共存阴离子干扰的能力.

5 建议和展望

CaO2的除磷产物羟基磷酸钙是一种非常稳定、无毒、无害且可回收的化合物，在处理0.5 mg/L的低浓度磷酸盐溶液时，平衡浓度为0.09 mg/L.因此可以使用CaO2作为低污染的天然水体的除磷选择，不仅有低成本、高效、无二次污染等优点，而且处理后水体可达到地表水环境质量标准(GB3838-2002)中规定的Ⅲ类水标准.

CaO2难溶于水，但是在水中又能发生极为缓慢的分解反应，因此可以考虑将CaO2粉末在高压力下制成20～50mm直径的球体，作为潜流式人工湿地的填料使用，利用其优异的除磷特性，对低污染河水等进行深度净化.另外，也可以考虑将其应用于处理低污染的天然水体，在水体表面布设若干浮体，其中填充适量CaO2颗粒或将其压制成多面形体，采用自然能源使水体循环并流经除磷材料，实现持久而高效地除磷.

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Low concentration of phosphorus removal in waters with CaO2

XIONG Xin1, KE Fan2, LI Yong1, LI Wenchao2, PAN Jizheng2, ZHANG Hong1& GAO Ya1

(1:SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009,P.R.China)

(2:NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,P.R.China)