壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的动态吸附研究

2021-03-17郜玉楠李懋锋包顺宇刘佳琦

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2021年1期

关键词：滤层原水沸石

郜玉楠,李懋锋,包顺宇,刘佳琦

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁沈阳 110168)

1 试验

1.1 试验原水

以东北地下水污染现状为依据,试验以氯化铵与蒸馏水配置成质量浓度为5 mg/L的氨氮原水,原水中仅氨氮超过我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006),水中无其他影响污染物。

1.2 试验材料与仪器

主要试验材料有沸石分子筛、壳聚糖(脱乙酰度大于90%)、鹅卵石、乙酸、盐酸、氢氧化钠,以上化学试剂均为分析纯。

试验仪器主要有真空干燥箱(LVO—6210);扫描电子显微镜(S4800);数显控湿磁力损器(85-2)；紫外可见分光光度计(752)；蠕动泵(YZ1515X)。

试验采用高为1 000 mm,内径为 250 mm,上端设溢流口,下端设出水口的有机玻璃柱模拟除氨氮滤池。试验装置如图 1 所示。

图1 动态试验装置图Fig.1 Dynamic test device diagram

1.3 试验方法

1.3.1 壳聚糖改性沸石分子筛的制备

称取沸石分子筛用去离子水洗涤干净,放入105 ℃的真空干燥器中干燥2 h,取出备用;称取一定量的沸石分子筛放入100 mL乙酸浓度为2%,壳聚糖质量浓度为5 g/L的壳聚糖乙酸凝胶中,置于磁力搅拌器上搅拌10 h,取出放入60 ℃的干燥器中干燥12 h,即制得壳聚糖改性沸石分子筛[12]。

1.3.2 壳聚糖改性沸石分子筛过滤除氨氮试验

将制备好的壳聚糖改性沸石分子筛装填到如图1所示的有机玻璃柱内,有机玻璃柱底部装填50 mm,粒径为 5.0～6.0 mm 的鹅卵石作为承托层,装填一定高度的壳聚糖改性沸石分子筛,滤层以上预留淹没水位150 mm。水箱内含氨氮原水质量浓度为5 mg/L,含氨氮原水经由蠕动泵以一定速度流入滤柱,通过出口设置的蠕动泵改变滤柱的滤速。

1.3.3 氨氮质量浓度的测定

采用纳氏试剂分光光度法测定氨氮质量浓度,氨氮的去除率为

(1)

式中:R为氨氮的去除率,%;C0为氨氮初始质量浓度,mg/L;Ct为氨氮t时刻质量浓度,mg/L。

2 结果与分析

2.1 工艺参数的优化

2.1.1 滤层高度

在室温、pH值为7、滤速为4 m/h、氨氮原水质量浓度为5 mg/L的条件下,设置滤层高度分别为10 cm、30 cm、50 cm和70 cm,壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的去除效果如图2所示。

图2 滤层高度对去除效果的影响Fig.2 Effect of filter height on removal efficiency

由图2可知,在不同滤层高度条件下,壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的去除率随着过滤时间的延长逐渐下降,但在过滤的整个过程中滤层高度为70 cm的壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的去除率始终优于滤层高度为10 cm、30 cm、50 cm的去除率。滤层高度为70 cm时,对氨氮的去除效果最好,可达到93.41%;滤层高度为10 cm时,对氨氮的去除率最低为17.48%。由此可见,滤层高度对氨氮的去除效果起到至关重要的作用,滤层高度在70 cm时,滤料的数量相对较多,壳聚糖改性沸石分子筛对于氨氮吸附位点相对较多,对氨氮的去除率较高。因此确定滤层高度为70 cm。随着时间的延长过滤效果逐渐下降,这是因为过滤时水流过滤料层必然产生水头损失,随着过滤时间的增加,滤层所截留的杂质增多,使得滤层逐渐的阻塞,这样减小了孔隙率,增大了水头损失导致了去除率降低[13]。

2.1.2 滤速

在室温、pH值为7、滤层高度为70 cm、氨氮原水质量浓度为5 mg/L的条件下,调节出口设置的蠕动泵转速控制滤速分别为2 m/h、4 m/h和6 m/h,氨氮的去除效果如图3所示。

由图3可知,不同滤速条件下的壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的去除率随着过滤时间的延长而不断下降,过滤开始60 min后,滤速为2 m/h和4 m/h的壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的去除效果最好,并且去除率相近,分别为95.42%,93.41%,但当滤速为2 m/h时始终略优于滤速为4 m/h的过滤出水,二者过滤效果明显优于6 m/h的过滤出水。进行到420 min时,去除率分别下降到66.48%、59.46%和40.96%。由此可得滤速对氨氮的过滤效果有较大的影响,滤速减慢,水中的氨氮可以和壳聚糖改性沸石分子筛表面得到充分的接触,原本来不及扩散到壳聚糖改性沸石分子筛表面空隙中的氨氮就扩散到壳聚糖改性沸石分子筛表面乃至内部孔隙中,大大加强了壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的吸附作用。但结合实际情况,考虑到滤速为2 m/h时,过滤水量较少,效率并不高,而滤速为4 m/h时,壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的过滤效果与2 m/h近似相等,因此选择过滤滤速为4 m/h。

2.2 不同影响因素对去除氨氮的影响

2.2.1 温度的影响

在pH值为7,滤层高度为70 cm,滤速为4 m/h,氨氮原水质量浓度为5 mg/L的条件下,控制温度分别为10 ℃、20 ℃和30 ℃,探究温度对氨氮的去除效果影响如图4所示。

图4 温度对氨氮去除率的影响

由图4可知,不同温度条件下壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的去除率随着过滤时间的延长逐渐下降,但在过滤的整个过程中温度为30 ℃时,壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的去除率始终优于温度为10 ℃和20 ℃的过滤出水,随着温度的升高,壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的去除效果逐渐增加,这是因为吸附过程为吸热反应,随着温度的升高,增加了去除氨氮的效果,由此可知温度的升高有利于壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的吸附。

2.2.2 pH值的影响

在室温、滤层高度为70 cm、滤速为4 m/h、氨氮原水质量浓度为5 mg/L的条件下,原水pH值分别调至6.5、7.5和8.5,壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的去除效果如图5所示。

图5 pH值对氨氮去除率的影响

2.2.3 原水质量浓度的影响

在室温、pH值为7、滤层高度为70 cm、滤速为4 m/h的条件下,控制原水质量浓度分别为3 mg/L、5 mg/L和7 mg/L,壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的去除效果如图6所示。

图6 原水质量浓度对氨氮去除率的影响

由图6可知,不同原水质量浓度条件下壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的去除率随着过滤时间的延长逐渐下降,但在过滤的整个过程中原水质量浓度为7 mg/L的壳聚糖改性沸石分子筛对氨氮的去除率始终优于原水质量浓度为3 mg/L和5 mg/L的过滤出水;这是因为随着原水质量浓度的增大,较高浓度能够作为驱动力,克服溶液和吸附剂表面的阻力,因而使氨氮的去除率增大。

2.3 SEM分析

分别对沸石分子筛、壳聚糖改性沸石分子筛、过滤吸附氨氮的壳聚糖改性沸石分子筛进行SEM表征,然后分析其表面形貌，SEM图像如图7所示。

图7 SEM图像Fig.7 SEM image

从图7可知,沸石分子筛的SEM图像(见图7(a))表面可观察到形状规则、均匀分散的立方晶体,有一定数量孔洞,孔径较大。图7(b)中可观察到材料表面粗糙,有较明显的轮廓和脉络,整体呈网状结构,这是由于壳聚糖负载到沸石分子筛表面和孔隙上,凹凸结构增多,微孔的数量增加,由此可知壳聚糖成功的负载到沸石分子筛上,增强对氨氮的吸附作用[15-16]。图7(c)中可以看出,吸附氨氮后其表面原有的脉络和凹凸结构均消失,原有的网状结构表面出现较多杂质,孔径也被占满,说明壳聚糖改性沸石分子筛成功吸附了水中的氨氮。