高效除磷吸附剂的制备

王颖

摘 要：近年来，随着湖泊和各海域水体富养化的现象日益严重，水体中氮磷含量严重超标，给水体中生物带来了毁灭性的灾难，同时人们的生活环境也受到严重影响。为了净化水体的氮和磷，越来越多的除磷方法应用到实际中。该实验主要采用吸附法以凹凸棒土为载体、负载氧化氯锆、氯化铈制备高效除磷吸附剂。对新制的吸附剂进行了除磷的吸附试验，并对其吸附性能进行了评价。

关键词：吸附剂 凹凸棒土 氧氯化锆 氯化铈

中图分类号：X703.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（a）-0134-02

水体富营养化主要是由于水体中氮磷含量超标，进而造成河水发生水华和海水发生赤潮的最重要因素。工业废水、生活污水、化肥、农药的使用是氮和磷超标的主要因素。富营养化水体被普遍认为是劣质水体。恶化水源水质，增加给水处理难度和成本，劣质水体作为供水水源时，会给净水厂的正常运行带来一系列问题，如增加水处理费用、降低处理效果和产水率等。而且遭受富营养化污染的水体在一定条件下因厌氧作用产生硫化氢、甲烷、氨气等有毒有害气体，给水处理增加相当的技术难度。

随着人们对生态环境重视程度的提高，面对严重的问题，越来越多的除磷方法应用到实际中。目前许多学者把注意力集中到吸附剂上，其优点在于可同时吸附废水中的两种或多种离子来净化水体。此实验采用吸附法，对水中的亚硝酸根及磷酸根进行吸附。

1 吸附实验

1.1 吸附剂的选取

吸附法关键在于吸附剂。吸附剂种类很多，其主要特征是多孔结构和具有很大的比表面。工业上常用的吸附剂的比表面约为300～1200 m/g。吸附剂性能不仅取决于其化学组成，而且与制造方法有关。高效的吸附剂应具备：选择性好；吸附容量高；抗离子干扰；吸附速率快；再生容易，稳定性好；无毒；原料经济廉价。所以该实验采用凹凸棒土为主要原料，在高温下进行灼烧得到粒状的无机复合物。该复合物对水体中的磷具有很好的吸附性。

1.2 实验原理

此实验采用凹凸棒土与氧氯化锆、氯化铈混合在一定温度下经焙烧制备无机复合物吸附剂。用以吸附模拟水中的磷酸盐与亚硝酸盐，其机理是：该复合物以凹凸棒土为载体，通过加入氧氯化锆及氯化铈使其表面生成活性较高的水合氧化锆及水合氧化铈，从而形成羟基化表面，羟基可以与水中的磷酸根及亚硝酸根离子进行交换，起到去除作用。根据水合金属氧化物在水体中吸附阴离子的主要机理是阴离子配位体的交换，可以推测附亚硝酸根离子与磷酸根离子的反应式如下：

Ce-OH+H++NO2- →Ce-NO2-+H2O

2Zr-OH+2H++PO43-→（2Zr-）PO4-+2H2O

Zr-OH+2H++PO43-→Zr-HPO4-+H2O

Zr-OH+3H++PO43-→Zr-H2PO4+H2O

Zr-OH+3H++PO43-→（2Zr-）HPO4+H2O

这样磷酸根离子与亚硝酸根离子就被吸附到吸附剂上了。高温焙烧可以脱去凹凸棒土中的吸附水、沸石水、部分结晶水以及八面体中的结构水，造成晶格内部和沸石孔道中断键，增加活性中心，使其杂乱堆积的针棒状团变得疏松多孔，增加孔隙容积和比表面积。但焙烧温度不易过高，否则会引起凹土孔径塌陷、纤维束堆积，针状纤维束紧密烧结在一起，孔隙容积和比表面积减小，致使吸附能力减弱。

1.3 吸附剂吸附性能的评价方法

每次取吸附剂0.2 g，放入小锥形瓶，再加入适量模拟水，30 mL浓度为25 mg/L的亚硝酸根离子溶液和30 mL浓度为25 mg/L的磷酸根离子溶液，于小锥形瓶中在相应的条件下进行吸附。吸附完毕，用756型紫外可见分光光度计测量上清液的吸光度，根据附录换算出吸附容量。

1.4 吸附剂的制备及制备条件的讨论

（1） 称取适量的氧氯化锆和氯化铈，分别配成含锆量与含铈量为1%、2%、3%、4%的溶液并置于容量瓶中。

（2）锆与铈的含量对吸附剂的影响。

取1%的氧氯化锆和4%的氯化铈、2%的氧氯化锆和3%的氯化铈，3%的氧氯化锆和2%的氯化铈，4%的氧氯化锆和1%的氯化铈的混合液15 mL于小烧杯中，分别加入4 g凹凸棒土（0.45 mm）与其中混合，搅匀。再将1.5 mol/L的NaOH溶液滴加到其中，使混合物pH在10～11，得到糊状的混合物。将过滤后的物质用蒸发皿在电热套上蒸发成固体物质。转入自动调温烘箱于200 ℃下焙烧两个小时，即可得到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4种锆、铈含量不同的粒状吸附剂。

取4份模拟水于小锥形瓶中，分别放入吸附剂0.2 g，充分混匀，在室温下于摇床上进行振荡吸附4 h。吸附完毕后测其吸光度。其结果表1。

由表1可以看出，在吸附剂浓度不同的情况下，吸附容量随着锆含量增大（铈含量减小）而减小，在锆含量为2%、铈含量为3%时，对磷酸根的吸附容量达到最大，对亚硝酸根的吸附容量也较为大。显然，为了使吸附剂能较多地吸附水中的氮和磷，选择含锆量为2%、含铈量为3%的吸附剂吸附效果较佳。所以在以后的试验中选择这样的吸附剂为研究对象。

（3）焙烧时间对吸附剂的影响。

取以上实验中配比好的吸附剂，转入自动调温烘箱于200 ℃下焙烧1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h，研磨、筛选得到粒状的吸附剂。

取5份模拟水于小锥形瓶中，分别放入上步制备好的吸附剂0.2 g，充分混匀，在室温下于摇床上进行振荡吸附4 h。吸附完毕后测其吸光度。其结果见表2。

由表2可以看出，在吸附剂焙烧时间不同的情况下，开始时吸附剂吸附容量随焙烧时间增长而增大，当吸附剂焙烧时间高于2h时，吸附容量开始下降，这主要是因为焙烧时间过长容易造成凹凸棒土表面结晶水的丧失，从而影响水和氧化物的生成，进一步影响吸附效果，减少吸附容量。当焙烧时间为2 h时，两离子的吸附容量达到最大。所以，焙烧2 h最佳。

（4）焙烧温度对吸附剂的影响。

取以上实验中配比好的吸附剂，转入自动调温烘箱于150 ℃、190 ℃、230 ℃、250 ℃下焙烧2 h，即可得到粒状的吸附剂。取出研磨、过筛得到颗粒状吸附剂。

取4份模拟水于小锥形瓶中，分别放入上步制备好的吸附剂0.2 g，充分混匀，在室温下于摇床上进行振荡吸附4 h。吸附完毕后测其吸光度。其结果见表3。

由表3可以看出，在吸附剂焙烧温度不同的情况下，吸附剂的吸附容量随着焙烧温度的升高而增大，在焙烧温度为250 ℃时，吸附剂的吸附容量最大。

2 结论

此实验采用了凹凸棒土和氧氯化锆计氯化铈为主要原料制备除磷吸附剂。通过实验总结，该吸附剂的最佳制备方案是：

（1）含锆量2%与含铈量3%的溶液制成的吸附剂。

（2）最佳焙烧温度为250 ℃。

（3）最佳焙燒时间为2 h。

参考文献

[1] 朴承俊，王宏山，瞿春艳，等.水体富营养化现状及对策分析[J].煤炭技术2008，27（8）：134-136.

[2] 李川，李秋红.人工湿地污水处理系统研究[J].甘肃水利水电技术，2009，45（2）：50-52.