磷酸改性碳纤维吸附水中污染物影响因素分析

赵 云

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

随着社会经济的快速发展，河流湖泊等水体水质受生活污染、畜禽水产养殖污染、农田面源污染及生态破坏的影响较大[1-2]。水体中化学需氧量、氨氮、总磷3种污染物是造成水质超标的主要因子[3-4]。因此，加强水污染治理，实现“水资源”“水环境”“水生态”——“三水”统筹，系统保护和建设美丽河湖工作尤为重要[5-7]。

下文对磷酸改性后的碳纤维吸附水中化学需氧量、氨氮、总磷进行研究，考察浸渍时间、改性剂浓度和浸渍温度对碳纤维吸附性能的影响。通过单因素试验与正交实验，针对不同污染物，探究出磷酸改性碳纤维吸附的最佳改性工艺[8-10]，找出一种合适的，吸附性能较优的改性方法，降低水中超标因子的浓度，使处理后的水质满足水域排放标准，为碳纤维在水处理中的应用提供科学借鉴。

1 实验材料与方法

1.1 实验试剂

1.1.1试剂

本文涉及的实验原料及试剂：聚丙烯腈基碳纤维(吉林亿达新材料有限公司)；邻苯二甲酸氢钾、氯化铵、磷酸二氢钾、磷酸、氢氧化钾(均为AR，天津化工股份有限公司)。

1.1.2 溶液配制方法

(1)模拟COD标准样品(1500mg/L)母液的配制：准确称取0.32g邻苯二甲酸氢钾溶于蒸馏水中，转移至250mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至标线。

(2)模拟氨氮标准样品(500mg/L)母液的配制：准确称取0.48g氯化铵溶于蒸馏水中，转移至250mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至标线。

(3)模拟总磷标准样品(50mg/L)母液的配制：准确称取0.22g磷酸二氢钾溶于蒸馏水中，转移至1000mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至标线。

(4)不同摩尔浓度的磷酸溶液配制：准确称取85%的磷酸溶液115.30g在烧杯中稀释，转移至1000mL容量瓶中，使用蒸馏水稀释至标线配成1mol/L的H3PO4溶液，分别加倍磷酸质量配制成2和4mol/L溶液。

1.2 实验设备与检测标准

(1)实验设备与仪器包括：SKALAR连续流动分析仪；DHG-9053A型电热恒温鼓风干燥箱；F-020S超声波清洗机；AL204电子天平；SEAL AutoAnalyzer 3连续流动分析仪；SXL-1200C型1200℃箱式实验电炉；Typ 3704型气泵。

(2)采用的检测标准：COD采用重铬酸盐法；氨氮采用连续流动-水杨酸分光光度法；总磷采用连续流动-钼酸铵分光光度法.

1.3 碳纤维改性方法

(1)前期准备：改性前，需要对碳纤维进行清洗。超声波清洗是为了去除碳纤维表面的杂质，防止材料表面的杂质对实验结果造成影响。清洗烘干后的样品，用于后续吸附性能的测试。

(2)化学浸渍改性方法：将碳纤维放入一定浓度的磷酸溶液中，进行超声浸渍，设定浸渍温度和时间，到一定时间后取出碳纤维，并标记编号。

(3)后续储存：将原料置于烘干箱中40℃干燥24h，取出装袋。

1.4 碳纤维吸附性能计算方法

用天平称取碳纤维原料，配制一定浓度的待吸附水样，将碳纤维投放到水处理净化装置内进行吸附实验，到达指定时间后对水进行取样，根据各自的检测方法，检测含量并计算去除率。

3种污染物的去除效率，计算公式如下：

(1)

(2)

式中，η—吸附效率；co—初始浓度，mg/L；c—平衡浓度，mg/L；q—吸附量，mg/g；V—溶液体积，L；M—材料投加量，g。

2 单因素试验结果与讨论

2.1 浸渍时间对碳纤维吸附性能的影响

对碳纤维进行不同时间的浸渍，相关改性工艺参数为：改性剂磷酸溶液浓度为1mol/L；浸渍温度40℃；浸渍时间：20、30、40min。

由图1可知，不同浸渍时间条件下，碳纤维对污染物有不同的去除率，随着浸渍时间由20min延长到40min，碳纤维的污染物去除率总体上呈现下降的趋势，部分出现先下降后上升的趋势，但去除率仍是浸渍时间为20min时最高。可能是在浸渍时间为20min时，磷酸已经完全腐蚀表面的孔道，使得孔隙发育，比表面积增大，介孔及微孔数量增多，若继续延长浸渍时间，会造成碳纤维的孔壁破损，或者孔道融合甚至被破坏，孔容和比表面积减小，使得去除率下降。

图1 不同浸渍时间对污染物去除率对比图

2.2 磷酸浓度对碳纤维吸附性能的影响

将不同改性剂浓度对碳纤维进行改性，相关改性工艺参数为：改性剂磷酸溶液浓度分别为1、2、4mol/L，浸渍时间30min，浸渍温度40℃。

图2为酸改性后碳纤维在不同磷酸浓度下各污染物的去除率对比图。当改性剂磷酸的浓度由1mol/L增大到4mol/L，3种污染物的去除率呈现先降低后增长趋势。说明适当的磷酸浓度有助于碳纤维对污染物的去除，有可能对应的微孔及介孔的数量呈现先降低后升高的趋势。

图2 不同磷酸浓度对污染物去除率对比图

2.3 浸渍温度对碳纤维吸附性能的影响

选择不同浸渍温度对碳纤维进行改性，相关改性工艺参数为：改性剂磷酸溶液浓度为1mol/L，浸渍时间30min，浸渍温度分别为20、40、60℃。酸改性后碳纤维在不同浸渍温度下各污染物的去除率对比图，见图3。随着酸改性过程中的浸渍温度由20℃升高到60℃，3种污染物的去除率均呈现先增高后降低的趋势，在浸渍温度为40℃时，改性后的碳纤维对于COD、氨氮、总磷的去除率分别达到60.00%、62.45%、52.70%，相较于其他浸渍温度，40℃时去除率最佳，单位吸附量也最大。

图3 不同浸渍温度对污染物去除率对比图

3 正交实验的结果与讨论

正交实验是一种高效快速的实验设计方法。通过选择不同的实验组合，研究碳纤维不同的改性工艺，采用3因子3水平的正交方法改性碳纤维，共9个实验。3因子3水平浸渍时间分别为：20、30、40min；酸的浓度分别为：1、2、4mol/L；浸渍温度分别为：20、40、60℃。在多因子多水平实验中选择了几个实验点，将酸正交改性的碳纤维依次命名为：SZJ-1、SZJ-2、SZJ-3、SZJ-4、SZJ-5、SZJ-6、SZJ-7、SZJ-8、SZJ-9，详见表1—3。

表1 正交实验的COD吸附结果

表2 正交实验的氨氮吸附结果

表3 正交实验的总磷吸附结果

通过对实验结果的极差和因子水平的分析，以碳纤维对污染物的吸附能力作为衡量吸附性能的重要指标，得出各因素对COD去除率的影响大小顺序为：酸的浓度大于浸渍温度大于浸渍时间。吸附污染物COD的最佳磷酸改性工艺组合为：浸渍时间为20min、磷酸浓度为1mol/L、浸渍温度为20℃。各因素对氨氮去除率的影响大小顺序为：浸渍时间大于酸的浓度大于浸渍温度。吸附污染物氨氮的最佳磷酸改性工艺组合为：浸渍时间为30min、磷酸浓度为2mol/L、浸渍温度为60℃。各因素对总磷去除率的影响大小顺序为：浸渍时间大于酸的浓度大于浸渍温度。吸附污染物总磷的最佳磷酸改性工艺组合为：浸渍时间为20min、磷酸浓度为2mol/L、浸渍温度为40℃。

4 结论

文章主要研究了酸浸渍改性效果及不同工艺参数的影响因素，得出以下结论。

(1)碳纤维在较短时间内、较低浓度下的磷酸浓度下，可完成快速吸附，吸附性能随着浸渍温度的提高呈现先增大后减小的趋势。

(2)通过正交实验，确定了各污染物的最佳改性工艺组合。其中，吸附污染物COD、氨氮、总磷的各个指标数据，最佳浸渍时间分别为：20、30、20min；磷酸浓度分别为：1、2、2mol/L；浸渍温度分别为：20、60、40℃，3种污染物去除率分别为：59.52%、64.23%、64.62%。

研究采用了化学改性法对碳纤维进行改性处理，采用磷酸作为改性剂，对单因素试验与正交实验，进行了初探。结果表明：磷酸改性的碳纤维有效地降低了水体中COD、总磷、氨氮的含量，为水污染应急控制和水生态修复等提供技术参考，具有广阔的应用背景和显著社会效益。未来的研究，可以结合实践，对磷酸改性碳纤维吸附水中污染物影响结果进行验证。