粘土矿物材料净化水体中氮磷的研究

郭鑫瑶

(湖南师范大学附属中学，　湖南 长沙　430100)



粘土矿物材料净化水体中氮磷的研究

郭鑫瑶

(湖南师范大学附属中学，湖南 长沙430100)

氮磷含量超标容易导致水体富营养化。采用粘土矿物可以净化水体中的氮磷。本研究以海泡石、绿沸石、饭麦石、火山石4种粘土矿物材料为研究对象，开展其吸附净化模拟富营养化水溶液中氮磷的研究。研究结果表明，海泡石和绿沸石对水溶液中NH4+，以及海泡石和火山石对水溶液中总磷的去除效果明显。用2%的海泡石处理5 min后，水溶液中NH4+的去除率达到90%以上，水溶液中总磷的去除率达到50%左右，可有效缓解或净化水体中氮磷，防治水体富营养化。

粘土矿物；氮磷富营养化；净化水体

0　引　言

随着我国工农业和城镇化的快速发展，大量生活污废水和工业废水导致水体中氮磷含量迅速增高，水体富营养化日趋严重。对我国25个大中型湖泊调查结果表明，大约92%的湖泊趋于富营养化[1]；一些淡水湖如太湖、洪泽湖、巢湖的富营养程度已经比较突出[2]。解决水体富营养化问题迫在眉睫。氮磷是导致水体富营养化的根本原因[3]。因此，水体富营养化的首要问题是去除水体中氮磷营养元素。目前，针对富营养化水体的治理方法主要有生物法、化学法和吸附法[4]。吸附法是选择具有较强吸附氮磷的材料来处理。粘土矿物材料可以用来吸附水体中的氮磷。李彬等[5]利用稀土镧改性的沸石可有效去除氨氮和磷；张林栋等[6]利用氯化镁与氯化铁等改性海泡石可以在15 min内达到吸附平衡；陈琳荔等[7]采用加热、羟基铝柱撑和稀土镧改性麦饭石能有效去除氮磷；聂凤等[8]使用酸碱改性火山石处理城镇污水，经过改性后的火山石对总磷和总氮都有较好的去除效果。上述研究都是关于改性粘土矿物来处理污废水。如果直接使用天然粘土矿物材料来处理氮磷含量超标水体，尤其是城市内河水体，吸附氮磷的粘土矿物污泥可作为有机肥料返回城市绿化地带，不仅可以解决水体富营养化问题，又可以改善土壤肥力和质地结构，而且不造成任何的二次污染。因此，本研究以海泡石、绿沸石、饭麦石、火山石4种粘土矿物为吸附材料，模拟含氮磷水溶液作为富营养化水体溶液，研究4种天然矿物材料对水溶液中氮磷的的去除效果，为直接利用粘土矿物吸附净化氮磷超标的微富营养化水体提供科学依据。

1　材料和方法

1.1实验材料

将海泡石、绿沸石、饭麦石、火山石4种粘土矿物材料在研钵中磨碎，过200目后备用。

根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)，用NH4Cl和KH2PO4配制氮磷质量浓度分别为20 mg/L和1 mg/L的水溶液作为富营养化水体溶液，模拟水溶液pH值为6.5。

1.2实验设计

在250 mL锥形瓶中加入50 mL上述模拟富营养化水溶液，分别称取四种粘土矿物材料1 g，在上述溶液中分别投加粘土矿物材料(粘土矿物材料与水溶液的质量比为2%)。在25℃，转速200 r/min条件下，在水浴恒温振荡器中振荡，分别在振荡5，30，60，90，120，180，240，480 min后取样，过滤，测量滤液中总磷和总氮(NH4+)含量，振荡处理前后总磷和氨氮(NH4+)含量的差值就是粘土矿物材料吸附的量。每个实验重复3次。

1.3测试与分析

模拟水溶液pH值采用Mettler Toledo 420 pH计测定，水溶液中总磷含量采用钼酸铵分光光度法测定，氨氮含量采用水杨酸分光光度法测定。所有实验数据采用Excel进行处理与分析。

2　结果与分析

2.1粘土矿物对水溶液中氨氮的吸附效果

4种粘土矿物材料对水溶液中NH4+的去除效率如图1所示。从图1中可以看出，粘土矿物对水溶液中氮的吸附是一个快速吸附过程，绿沸石和海泡石对水溶液中NH4+的去除效果明显优于火山石和饭麦石。用2%的海泡石和绿沸石处理5 min后，海泡石和绿沸石对水溶液中NH4+的去除率达到90%左右，在120 min后对水溶液中NH4+的去除率达到99%左右。而饭麦石和火山石对水溶液中NH4+的去除效果远远低于海泡石和绿沸石，在30 min内达到最大吸附效果，对水溶液中NH4+的去除率仅约30%左右。由此可见，海泡石和绿沸石在去除水中NH4+效果明显，是比较理想的吸附净化材料。有研究表明，绿沸石和海泡石的比表面积较大，孔径均匀，具有特殊的分子结构，尤其是绿沸石内部的孔穴和孔道一旦有“空缺”时，就会表现出很强的吸附能力[9]。

图1　粘土矿物材料对书溶液中NH4+的吸附净化效果

2.2粘土矿物对水溶液中总磷的吸附效果

4种粘土矿物材料对水溶液中总磷的去除率如图2所示。从图2中可以看出，粘土矿物对水溶液中磷的吸附是一个快速吸附过程。海泡石和火山石对水溶液中磷的去除效果较好，而绿沸石和麦饭石对水溶液中磷的去除效果较低，海泡石和火山石对总磷的去除率优于绿沸石和饭麦石。然而，4种粘土矿物材料对水溶液中磷的去除效率均不高。用2%的海泡石和火山石振荡处理5 min后，4种粘土矿物材料对水溶液中磷的吸附已经达到一个较高值，海泡石和火山石对水溶液中总磷的去除率大约在50%左右，绿沸石和饭麦石对水溶液中总磷的去除率大约在20%～30%之间。在供试的480 min内，4种吸附材料对水溶液中磷的吸附几乎没有变化，相反，还存在轻微的解吸，表明4种矿物材料快速吸附上的PO42-在水溶液振荡过程中一直处于吸附、解吸的动态平衡过程。可能是由于绿沸石等粘土矿物表面带有负电荷，为保护电中和，缺少的正电荷由附近带正电的阳离子来补偿平衡[9]。

图2　4种土壤矿物对总磷的去除率

3　结　论

(1) 海泡石、绿沸石、饭麦石、火山石4种粘土矿物材料对水体中氮磷的吸附性能不同。粘土矿物对水溶液中氮磷的吸附均是一个快速吸附过程。

(2) 海泡石和绿沸石对水溶液中NH4+的去除效率很高，用2%的海泡石和绿沸石处理5 min后，海泡石和绿沸石对水溶液中NH4+的去除率达到90%左右，在120 min后，水溶液中NH4+的去除率可达到99%左右。海泡石和火山石对水溶液中总磷的去除效果明显，用2%的海泡石和火山石处理5 min后，水溶液中总磷的去除率大约达到50%左右，且去除效果稳定。

(3) 海泡石对氮磷同时超标的水体来说是一个理想的粘土矿物吸附材料，可以用来处理氮磷超标的水体尤其是城市内河水体，防治其富营养化。

[1]郑亚西,王关民.湖(库)水体富营养化综合防治对策[J].重庆环境科学,2001(04):30￣33.[2]赵永宏,邓祥征,战金艳,等.我国湖泊富营养化防治与控制策略研究进展[J].环境科学与技术,2010(03):92￣98.[3]肖涛,宋垚彬,姜丹,等.植物功能性状对城市湿地水体富营养化的响应研究进展[J].湿地科学与管理,2014(02):62￣65.[4]张道方,史利芳,许智华.沸石泥炭合成材料及其脱氮除磷实验研究[J].能源研究与信息,2011(01):1￣6.[5]李彬,宁平,陈玉保,等.氧化镧改性沸石除磷脱氮研究[J].武汉理工大学学报,2005(09):56￣59.[6]张林栋,李常飞,王先年.改性海泡石除磷吸附动力学研究[J].化学工程,2010(02):5￣7.[7]陈琳荔,邹华.改性麦饭石对水中氮磷的去除[J].食品与生物技术学报,2015(03):283￣290.[8]聂凤,熊正为,黄建洪,等.改性火山石-PAC复合絮凝剂处理城镇生活污水试验研究[J].水处理技术,2012(04):87￣90.[9]王黎瑾,林春绵.改性沸石净化水中氮磷的研究进展[J].安徽农业科学,2007(20):6207￣6208.

2016￣06￣09)