沸石对氨氮的吸附及解吸效果研究

2016-09-02党鹏刚

广州化工 2016年15期

关键词：锥形瓶石灰石沸石

党鹏刚，张　英

(1 陕西渭河煤化工集团有限责任公司，陕西　西安　714000；2 蒲城清洁能源化工有限责任公司，陕西　西安　714000)

沸石对氨氮的吸附及解吸效果研究

党鹏刚1，张英2

(1 陕西渭河煤化工集团有限责任公司，陕西西安714000；2 蒲城清洁能源化工有限责任公司，陕西西安714000)

沸石作为一种性能优良的填料常被用于人工湿地。通过对人工湿地常用填料——沸石进行氨氮吸附及解吸试验得出，沸石的吸附性能优于石灰石等常用填料的吸附性能；在不同标准铵浓度溶液中，沸石对氨氮的最大吸附浓度可达到1.58 mg/g，随着氨氮浓度增加，吸附量也有相应增加；在吸附饱和以后通过强制干燥或自然风干，均能得到较好的恢复，解吸率分别高达80%和73%。

人工湿地；沸石；填料；吸附

人工湿地的填料种类繁多，主要有石灰石、砂石、细沙、高炉钢渣、建筑废料、陶瓷、沸石等。填料在湿地运行中主要起到初期截留粗大杂质、为微生物提供生存介质、决定湿地布水方式、对各类污染物进行吸附等作用。近年来，人们通过对湿地填料进行改性、改型等方式来探究填料对湿地处理效果的具体影响，越来越多的实验和事实表明：填料的种类、性能、布置方式等对湿地出水有着明显的影响[1]。本文对以强吸附性能著称的沸石进行单独吸附试验，以探究其吸附作用在人工湿地氨氮去除中的影响。

1　实　验

1.1实验装置

试验以小试方式完成，所用仪器有：普通锥形瓶；SHZ-82A水浴恒温振荡器，金坛科教；752N型紫外分光光度计，上海精科；E101电子控制恒温鼓风干燥箱，武汉元素科技等；

1.2实验原理

沸石本身的吸附性能就高于一般填料，并且具有离子交换性，是分子筛的一种，一般化学式为：AmBpO2p·nH2O，结构式为A(a/q)[(AlO2)x(SiO2)y]n(H2O)。其中：A为Ca、Na、K、Ba、Sr等阳离子，B为Al和Si，p为阴离子化合价，m为阳离子数，n为水分子数，x为Al原子数，y为Si原子数。沸石内部结构具有一定孔径的空腔和孔道，这是决定其吸附和离子交换性能的根本所在，其离子交换选择性顺序如下[2]：

如图1为沸石内部污染物被吸附扩散过程示意图[4]。

图1　沸石内部污染物扩散原理Fig.1　The principle of the pollution diffuse in zeolite

1.3分析方法

氨氮：纳氏试剂比色法。

2　结果与讨论

2.1沸石吸附特性研究

(1)称取30 g沸石，并配制60 mg/L的铵标准溶液，其氨氮浓度为60 mg/L。

(2)将沸石置于500 mL锥形瓶，加入200 mL已配置60 mg/L的铵标准溶液。

(3)将锥形瓶放在25 ℃水浴振荡器中振荡，连续24 h，每2 h对溶液中的氨氮浓度进行检测。

吸附量Γ(mg·g-1)计算公式如下：

Γ=(C0-Ce)V/m

(1)

式中：C0——NH4Cl溶液起始浓度，mg·L-1

Ce——吸附后NH4Cl溶液平衡浓度，mg·L-1

V——溶液体积，L

m——沸石重量，g

如图2所示，我们可以看出随着时间的推移沸石对氨氮的吸附量逐渐增大，但其吸附效率却逐渐下降，24 h后，从吸附量来观察，溶液中95%以上的氨氮被吸附掉。同时，由曲线我们可以看出，在吸附的初期，沸石对氨氮的吸附速度较快，随着时间的推移，氨氮在溶液和沸石中的浓度分布达到平衡，沸石逐渐接近吸附饱和状态，吸附速度也随之变慢，达到吸附平衡状态。

图2　沸石吸附量和溶液中氨氮的关系Fig.2　Relationship between adsorption capacity of zeolite and ammonia nitrogen in solution

图3　氨氮浓度为60 mg/L单位质量沸石对氨氮的吸附量Fig.3　The adsorption capacity of unit zeolite when ammonia nitrogen concentration 60 mg/L

由图3我们可以得出相同的结论：随着时间的推移，沸石对氨氮的吸附量逐渐增大，但是吸附效率却逐渐下降，最后终究会达到一个吸附平衡。由图中数据分析得出：单位质量的沸石对氨氮的吸附量可达到0.37 mg/g。张曦[5]等人在沸石吸附性能研究中发现在5 g/L的氨氮溶液中，沸石的最大吸附量可以达到11.5 mg/g。可见沸石的吸附潜能是巨大的。

以上曲线分析我们可以得出沸石的吸附规律：刚开始时，吸附速率较快，随着时间推移，其吸附容量逐渐饱和，吸附速率变得很慢，其吸附曲线则变得更加平直。

2.2沸石和石灰石吸附特性比较

根据以上试验结果，针对石灰石做类似吸附试验，通过对比得出各填料的优劣性。试验步骤同上：

(1)分别称取沸石和石灰石各30 g，分别配制0.36 mg/L和300 mg/L的铵标准溶液，其氨氮浓度分别为0.36 mg/L和300 mg/L。

(2)将沸石和石灰石分别置于500 mL锥形瓶，加入200 mL已配置的铵标准溶液。

(3)将锥形瓶置于25 ℃恒温水浴振荡器中振荡，进行连续24 h的吸附试验，2 h一次检测溶液中氨氮浓度。

图4　氨氮浓度为0.36 mg/L时沸石和石灰石吸附试验Fig.4　Compare zeolite with limestone when ammonia nitrogen concentration was 0.36 mg/L

图5　氨氮浓度为300 mg/L时沸石和石灰石吸附试验Fig.5　Compare zeolite with limestone when ammonia nitrogen concentration was 300 mg/L

图4是初始浓度为0.36 mg/L时沸石和石灰石对氨氮的吸附曲线，图5是初始浓度为300 mg/L时沸石和石灰石对氨氮的吸附曲线。对比分析沸石和石灰石吸附曲线特性，可以得出以下结论：在高浓度和低浓度的情况下，沸石对氨氮的吸附量要比石灰石对氨氮的吸附量大得多，所以从填料吸附方面来讲，沸石比石灰石具有更好的吸附性能更适合作为人工湿地填料；在低浓度(氨氮浓度为0.36 mg/L)时，沸石对氨氮的吸附很快达到一个吸附平衡(基本在4～6 h内完成)，其单位质量沸石对氨氮的吸附量约为0.002 mg/g；而在高浓度(氨氮浓度为300 mg/L)吸附下达到的平衡时间相对较长，就图4看，在16 h以后曲线才基本趋于平稳，单位质量沸石的吸附量可以达到1.58 mg/g；而就石灰石的吸附曲线来看，其表现出较差的吸附效果，在低浓度时(氨氮浓度为0.36 mg/L)其最大的吸附量为0.0017 mg/g；在氨氮浓度为(氨氮浓度为300 mg/L)时其最大吸附量为0.136 mg/g，并且在氨氮浓度较高时表现得极不稳定。

2.3沸石脱附性能研究

当填料吸附的物质达到一定程度后，就会呈现吸附饱和状态，如何使填料回归初始的吸附状态，是研究填料吸附性能的一个重点。卢少勇等[63]在通过对人工湿地中沸石和土壤的氮吸附与再生进行试验研究中提出，用曝气的方法使其湿地填充基质恢复活性。刘昌伟等[6]通过潮汐流运行的方法来增加人工湿地溶解氧，进一步增强人工湿地填料活性达到增强处理能力的目的。赵亚乾等[7]也提出使人工湿地空置的方法使填料再生。其方法为：在人工湿地运行一段时间后，将其内部的污水全部排放，使内部的基质干化，这样可以恢复部分吸附功能。

在小试试验中，将吸附试验中300 mg/L情况下吸附平衡的沸石和石灰石分别进行解吸试验，其方法为：

将吸附充分饱和的沸石和石灰石分别放在121 ℃烘箱烘干和放在自然情况下阴干，24 h后，将其放入锥形瓶，加入0.5 mol/L的HCl溶液在25 ℃下振荡24 h，然后测定溶液中氨氮含量来计算解吸率η(%)[8]。

η=(1-Γ/Γ0)×100%

(2)

式中：Γ0——新鲜沸石氨氮吸附量，mg/g

Γ——解吸后沸石残留的氨氮吸附量，mg/g

表1　沸石和石灰石在不同的条件下解吸后解吸率比较Table 1　Comparison of desorption rate of zeolite and limestone under different conditions　(%)

通过以上解吸数据可以看出，在自然风干的情况下，沸石对氨氮的解吸率也可以达到很高[9]，张曦进行的天然沸石对氨氮的解吸试验中得到沸石上氨氮的解吸率可以达到60%以上[5]。在本试验中，石灰石作为对比试验，由于石灰石质密，孔隙率小，其吸附效果和解吸效果表现很差，至少很不明显。由此可以看出，在作为人工湿地填料应用来看，沸石无疑可以

作为一种很好的选择，但是一般考虑代价和来源，可以采用表铺、底铺或者间接添加，也可以收到良好的应用效果，在卢少勇等人的人工湿地研究中也有此应用案例[1]。

3　结　论

(1)通过不同浓度标准铵溶液吸附试验对比发现，溶液浓度越大，单位质量沸石对其吸附量越大；且在沸石吸附容量范围之内，沸石和溶液之间的氨氮浓度最终会达到平衡状态。

(3)在沸石和石灰石的解吸方面，在300 mg/L的氨氮溶液中吸附饱和的沸石，自然状况下，解吸率可达到70%以上。

(4)在特殊情况下，可以通过添加高效填料，如沸石等多孔介质，对人工湿地污染物强化吸附，是一种快速提高湿地处理效率的办法。

[1]卢少勇,张彭义,余刚.人工湿地沸石填充方式研究[J].环境科学研究,2006, 19(3):91-95.

[2]雅各布斯.沸石的正碳离子活性[M]. 杨厚昌(译).北京:石油工业出版社,1982.

[3]温东辉.天然沸石吸咐：生物再生技术及其在滇池流域暴雨径流污染控制中的试验与机理研究[D].北京:北京大学,2003.

[4]王世和.人工湿地污水处理理论与技术[M].北京:科学出版社,2007.

[5]张曦,吴为中,温东辉,等.氨氮在天然沸石上的吸附及解吸[J].环境化学,2003,22(2):166-172.

[6]刘昌伟,薛晨,杨永哲,等.新型潮汐流人工湿地深度处理生活污水的研究[J].中国给水排水, 2011,28(11):10-13.

[7]Yang Y,Zhao Y Q,Babatunde A O,et al.Characteristics and mechanisms of phosphate adsorption on dewatered alum sludge[J].Sep Purif Technol,2006,51(2):193-200．

[8]张跃峰,刘慎坦,谢祥峰,等.人工湿地处理农村生活污水的脱氮影响因素[J].江苏大学学报(自然科学版),2011, 32(4): 487-491.

[9]付融冰,杨海真,顾国维.人工湿地中沸石对铵吸附能力的生物再生研究[J].生态环境, 2006,15(1):6-10.

Study on Effect of Adsorption and Desorption for Zeolite to Ammonia Nitrogen

DANGPeng-gang1，ZHANGYing2

(1 Shaanxi Weihe Coal Chemical Corporation Group Ltd., Shaanxi Xi’an 714000;2 Pucheng Clean Energy Chemical Company Ltd., Shaanxi Xi’an 714000, China)