粒径对高吸水树脂的氨氮吸附特性影响1)

2020-12-22甄倩王百田郭利军

东北林业大学学报 2020年12期

甄倩王百田郭利军

(北京林业大学，北京，100083)

氨氮是水体中的耗氧物质，也是造成环境污染和水体富营养化的重要原因。进入水体中的氨氮会使水生动物与植物异常繁殖，导致水体溶解氧降低、水体变坏、鱼类及其它水生生物死亡；氨氮会通过食物链进入人体而合成亚硝基化合物，对人类健康造成严重危害[1]；未经处理的氨氮排入环境会导致生态环境破坏，造成巨大的经济损失。去除水体中氨氮的方法多种多样，主要有离子交换法[2]、生物法[3]和吸附法[4]等。吸附法因为操作简单、效果稳定和成本低等而被作为去除水体中氨氮的有效方法。然而，污水主要的吸附剂氧化铝等的使用可能会引入一些有害有毒物质，限制了其广泛应用。

聚丙烯酰胺型高吸水树脂(SAP)是一种含有羧基、羟基等官能团的强吸附能力的高吸水性树脂，广泛应用到农业、林业、医学、园艺等方面，具有吸附率高、吸附量大、施压不脱水、保水能力强等特点，得到了国内外广泛应用[5-6]。此外，高吸水树脂进行溶胀吸液和分子成键吸水同时，其高分子链上的官能团对重金属离子等有较高的螯合率，目前高吸水树脂对于重金属离子的去除效果研究较多，谢建军等[7]研究表明PAMPS高吸水性树脂对Pb+有很好的选择吸附性，但对其在污水中氨氮的吸附研究相对较少，而吸附氨氮饱和后的高吸水树脂还可以土壤还田，具有节肥、提高土壤肥力和改良土壤的作用。此外，已有研究者证明高吸水树脂的粒径、pH值、初始溶液浓度等对其吸附性能有重要影响[8-9]。而关于粒径对其吸附性能的研究，不同研究者持有不同观点，李杨等[10]认为较小粒径高吸水树脂吸附性能优于较大粒径，张建刚等[11]认为不同粒径对高吸水树脂吸附性能影响不大，而魏琛琛等[12]认为较大粒径高吸水树脂的吸附性能最好。

1 材料与方法

1.1 材料

高吸水树脂：交联聚丙烯酰胺型高吸水树脂，呈白色晶体，有效成分100%，分别选用0.85 mm

药品：分析纯NH4Cl。

1.2 方法

试验用NH4Cl溶液模拟富营养化的污水，由分析纯NH4Cl分别配制得到。在本实验中，NH4Cl质量浓度分别设置为0、2.5、3.8、5、7.5、8.5、10 mg·L-1；静置时间分别设置为10、30 min和1、2、3、5、11、24、34、36 h；高吸水树脂用量分别为0.3、0.5、0.8，每个处理重复3次。

傅里叶红外光谱分析：高吸水树脂凝胶由Labconco FrwwZone 4.5型冷冻干燥系统冷冻后，将其放入傅里叶红外光谱仪Nicolet iN10扫描测定，扫描波数范围4 000～500 cm-1。

1.3 分析及计算方法

高吸水树脂对NH4Cl溶液的吸附量Q(mg·g-1)、去除率R(%)和吸附速率v(mg·g-1·h-1)计算方法如下：

Q=(C0V0-C1V1)/m；

R=(C0-C1)/C0×100%；

v=ΔQ/t。

式中：C0为原溶液浓度(mg·L-1)；V0为加入溶液体积(L)；C1为加入溶液过滤后滤液浓度(mg·L-1)；V1为加入溶液过滤后滤液体积(L);m为加入溶液前的高吸水树脂质量(g)；ΔQ为一定时间内的吸附量。所有测定均在室温下进行。

利用IBM SPSS 25进行方差分析与多重比较，Origin 9.1进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理吸附量的动态变化

所不同的是与小粒径M、L相比，较大粒径L1、L2高吸水树脂吸附量呈缓慢上升趋势，其吸附平衡时间相对较长，达到平衡时最大吸附量也较高。这可能是由于较小粒径的高吸水树脂在切割过程中受到了剪切应力的作用致使交联结构遭到破坏，因此平衡吸附量低于较大粒径；且小粒径由于比表面积大而瞬间吸附膨胀，因而在初始阶段吸附量上升较快且高于较大粒径。

1/qt=(k1/qe1)×1/t+1/qe1；

(1)

(2)

qt=k3t0.5+c。

(3)

式中：qt为t时刻的吸附量(mg·g-1)；qe1与qe2分别为吸附平衡时的吸附量(mg·g-1)；k1与k2分别为准一级动力学常数和准二级动力学常数(g·mg-1·h-1)；k3为颗粒内扩散速率常数(mg·kg-1·min-1/2)；c为截距。

通过颗粒内扩散方程进一步分析高吸水树脂扩散机制。颗粒内扩散方程表明若吸附量qt与吸附时间t0.5所拟合直线过原点，则颗粒内扩散是限制吸附速率的唯一因素。反之，根据试验数据拟合分析，在吸附过程的3个阶段中慢吸附阶段所拟合直线未通过原点，说明颗粒内扩散并非控制吸附速率的唯一因素，吸附过程还可能受到其他因素的控制。