复合树脂对磷酸盐的动态吸附研究
2019-03-22张晓陈晨程婷
张晓 陈晨 程婷
摘要：研究HFO-N和HFO-B两种复合树脂对磷酸盐的动态吸附特性，考察两种树脂的固定床穿透曲线、吸附-解吸性能以及解吸后的再吸附行为。结果表明，HFO-N复合树脂穿透时间比HFO-B复合树脂长，穿透时间为1 610 h;其處理体积数远高于HFO-B复合树脂，穿透体积数高达8 050 BV;其对磷酸盐的穿透吸附量为401.48 mg。HFO-B复合树脂中吸附的磷酸盐在两次解吸中均得到了良好的解吸效果，而HFO-N复合树脂解吸耗时较长且解吸率较低。HFO-B复合树脂的解吸过程没有影响后续其对磷酸盐的吸附性能。
关键词：磷酸盐;动态吸附;复合树脂
中图分类号：X703;X52 文献标识码：A
文章编号：0439-8114（2019）02-0067-03
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.02.015 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
磷元素过多是引发水体富营养化的主要因素之一，水体中磷酸盐的处理问题长期以来受到国内外学者的广泛关注[1，2]，其中吸附法是一种有效去除磷酸盐的方法[3，4]。作为一种有效的吸附材料，树脂被应用于污水中污染物的吸附处理[5，6]。试验证明，水合氧化铁（HFO）对磷酸盐有很强的吸附性能，且在应用方面具有较多的优势[7，8]。然而，大多数磷酸盐的吸附均处于静态吸附研究阶段，而对于其动态吸附过程及其吸附性能的研究并不多见。本研究在前期磷酸盐静态吸附试验的基础上[9，10]，研究HFO-N和HFO-B两种复合树脂对磷酸盐的动态吸附特性，考察两种树脂的固定床穿透曲线、吸附-解吸性能，以及解析后的再吸附特性，为实际除磷技术提供一定的参考。
1 材料与方法
1.1 材料
试验所用的药品均为分析纯;所用复合树脂为HFO-N与HFO-B;所用仪器有蠕动泵、数显pH计、鼓风干燥箱、恒温振荡器、电子天平、索氏抽提器等。试验器材的具体性能参数见前期试验研究[9，10]。
1.2 小型固定床吸附试验
针对HFO-B和HFO-N两种树脂，各量取10 mL的湿树脂，转移到两个玻璃吸附柱中，调整床层，赶走其中夹杂的气泡。从玻璃吸附柱上口导入一定浓度的含磷溶液（即模拟废水），利用蠕动泵使模拟废水以一定流速通过树脂床层，同时利用恒温槽控制床层温度恒定;打开收集器，分段均匀收集出水，测吸光度，并计算相应浓度，绘制磷酸盐穿透曲线，并比较两种树脂的稳定性。
1.3 小型固定床解吸试验
解吸试验采用的再生剂是5% NaOH+5% NaCl。
再生条件：在323 K热力学温度下，用10 mL 5% NaOH+5% NaCl浸泡0.5 h后将蠕动泵调到2.3 r/min将其抽干，等到出水浓度较低时，再用去离子水在同样的条件下处理树脂，待出水浓度较低时可以停止。
1.4 数据计算
1.4.1 小型固定床试验树脂吸附量计算 树脂的单位吸附量（单位质量树脂所吸附的磷酸盐质量）的计算公式为流经固定床所有原液的磷酸盐总量减去各个收集试样中磷酸盐残余量之和。
式中，Q为处理V体积模拟废水后的总单位吸附量（mg/g）;qi为处理第i个水样后的树脂单位吸附量（mg/g）;co为模拟废水的起始浓度（mg/L）;ci为第i个水样的出水浓度（mg/L）;Vi为第i个样的体积（mL）;w为树脂的干重（mg）。
1.4.2 树脂解吸量计算 树脂解吸量是指树脂上解析的污染物量。
式中，Q解为处理V体积模拟废水后的总单位吸附量（mg/g）;Q解i为处理第i个水样后的树脂单位吸附量（mg/g）;ci为第i个水样的出水浓度（mg/L）;Vi为第i个样的体积（mL）;w为树脂的干重（mg）。
1.4.3 树脂解吸率计算 树脂解吸率是指树脂的解析量与吸附量的比值。
式中，η为树脂的解吸率;Q解为处理V体积模拟废水后的总单位吸附量（mg/g）;Q为处理V体积模拟废水后的总单位吸附量（mg/g）。
2 结果与分析
2.1 两种树脂对相同浓度含磷模拟废水吸附性能的比较
在浓度5 mg/L、流速5 BV/h和298 K的热力学温度下，分别进行了两种树脂吸附含磷模拟废水的小型固定床试验，得到了出水中浓度随处理体积变化的数据，以处理体积为横坐标，出水浓度为纵坐标绘制了穿透曲线（以出水磷含量0.5 mg/L为穿透点），分析比较了两种树脂的吸附性能，其结果表1。
表1可以看出，HFO-B复合树脂比HFO-N复合树脂穿透时间短很多，其处理的体积数也远低于HFO-N复合树脂。HFO-B复合树脂的穿透体积为750 BV，而HFO-N复合树脂的穿透体积则远大于HFO-B，为8 050 BV。从穿透时间上看，HFO-B复合树脂的穿透时间仅为150 h，而HFO-N复合树脂则高达1 610 h。HFO-B树脂对磷酸盐的穿透吸附量为37.11 mg，而HFO-N复合树脂对磷酸盐的穿透吸附量高达401.48 mg。由此可知，HFO-N复合树脂表现出优良性能，可将其应用到污水二级处理出水的深度除磷中去。
2.2 解吸试验结果
在流速2 BV/h和323 K的热力学温度下，用5% NaOH+5% NaCl分别对两种树脂进行解吸，当出水浓度较低时再用去离子水对其进行水洗。得到解吸率随处理体积的增加而变化的数据，以碱液体积为横坐标，解吸率为纵坐标绘制解吸图，分析并比较HFO-B和HFO-N复合树脂解吸前后的吸附性能（表2）。
从HFO-B复合树脂吸附剂的两次解吸来看，HFO-B复合树脂中吸附的磷酸盐得到了很好的解吸，再生液中洗脱物质集中，前两个BV基本去除了90%以上的磷酸盐。这意味着在实际的应用中，其对高浓度的再生液可以进行有效的回收利用。另一方面，HFO-B复合树脂吸附剂的第一次解吸结果显示，前两个BV的高浓度解吸液高峰较为集中，尤其是第一个BV，磷含量达到吸附总量的70%以上;第二次解吸结果显示高峰开始分散，第一个BV解吸液中的磷含量降到60%，但第二个BV中磷含量增至35%左右。由表2两种树脂的解吸率可以看出，HFO-B复合树脂第一次解吸的解析率为96.01%，小于第二次的解吸率99.74%，可能的原因是树脂经过第一轮的吸附-解吸后，孔道出现溶胀效应，导致孔容和比表面积相应增大;树脂中原有的残留杂质被洗出，提高了吸附和解吸的效率。从与表2可以看出，对于HFO-N复合树脂而言，其吸附除磷酸盐的能力较强，吸附量为408.11 mg，但是耗时较长，且第一次解吸试验的解析率仅为55.82%，因此没有进行第二次吸附解吸试验。此外，HFO-B复合树脂第一次解吸后，肉眼观察到吸附柱内出现HFO-B复合树脂的碎末，这意味着HFO-B树脂的机械性能略差;HFO-N复合树脂也有少许碎末，情况相对HFO-B复合树脂较好些。
2.3 吸附稳定性试验结果
对先达到穿透点的HFO-B型复合树脂吸附剂进行解吸-二次吸附试验，得到前后两次的吸附穿透曲线，HFO-B复合树脂的解吸过程没有影响后续其对磷酸盐的吸附性能。HFO-B复合树脂对磷酸盐第二轮吸附的穿透点延后，吸附总量增加，推测其与孔道的溶胀以及杂质的洗出有关。
3 小结
1）HFO-B复合树脂比HFO-N复合树脂穿透时间短很多，其处理的体积数也远低于HFO-N复合树脂。HFO-N复合树脂的穿透体積数高达8 050 BV，其对磷酸盐的穿透吸附量高达401.48 mg。
2）HFO-B复合树脂中吸附的磷酸盐得到了很好的解吸，再生液中洗脱物质集中，前两个BV去除了90%以上的磷酸盐，意味着实际应用中其对高浓度的再生液可以进行有效的回收利用。
3）对于HFO-N复合树脂而言，其吸附去除磷酸盐的能力较强，但是耗时较长，且第一次解析试验的解析率仅为55.82%。
4）两种复合树脂的稳定性较好，但HFO-B复合树脂的机械性能没有HFO-N复合树脂好。
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