中和法制備磷酸根吸附劑的研究

王 翔,周啟立

(中海油天津化工研究設計院,天津 300131)

中和法制備磷酸根吸附劑的研究

王 翔,周啟立

(中海油天津化工研究設計院,天津 300131)

采用氨水中和三氯化鐵法制備無機水合氧化物的磷酸根吸附劑。該實驗研究了吸附劑的制備、對磷酸根的吸附過程和再生實驗,還討論了影響吸附容量的各種因素:三氯化鐵溶液濃度、熟化時間、中和時間、吸附時間、吸附劑粒徑、吸附溫度、pH、磷酸鹽初始濃度、磷酸鹽溶劑量等。實驗結果表明:該吸附劑磷酸根的去除率最高達 93%以上,且再生條件簡單,再生效果較好。

吸附劑;磷酸根;三氯化鐵

磷的污染主要來源于生活污水中各種洗滌用水的大量排放和農業中磷肥的大量使用,以及工業上含磷廢水的直接排放。因此,對含磷廢水排放前的預處理才是抑制水體富營養化的根本途徑。目前含磷廢水的處理方法一般是采用化學法和生物法。前者除磷效率高,操作穩定但產生污泥多,運行費用高。后者雖可減少污泥的產生,但操作控制比較復雜,脫磷效率低。鑒于此,許多學者在復合吸附劑方面做了大量研究,例如:活性鋁、氧化鈦水合物、氧化鋯系等,采用吸附法去除磷[1]。筆者采用氨水中和三氯化鐵進行造粒制成無機水合氧化物對含磷廢水進行處理。實驗中對吸附劑的造粒、吸附和再生進行了研究。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

烘箱、恒溫槽、振蕩器、攪拌器、過濾裝置、抽濾機、分析天平、光電分光光度計、酸度計等。

1.2 實驗方法

1.2.1 吸附劑的制備

選用材料:固體三氯化鐵顆粒、氨水溶液。

造粒方法:將三氯化鐵粉末溶解在純水中,制備質量濃度為 60 g/L的三氯化鐵溶液,將濃氨水溶液稀釋 3倍,然后將配制好的氨水溶液倒入三氯化鐵溶液中,用玻璃棒攪拌至不再生成氫氧化鐵沉淀,熟化 20 min后用純水洗滌至無氯離子,用抽濾機進行抽濾,放入溫度為 70℃左右的烘箱,烘干至恒重,碾成不同粒徑的顆粒。

1.2.2 對磷酸根的吸附過程

配制磷酸二氫鉀溶液,進行磷酸根吸附實驗。首先配制出質量濃度為 50μg/mL的磷酸二氫鉀溶液,將吸附劑放入一定量的磷酸二氫鉀溶液中,放入振蕩器中進行吸附實驗,一定時間后取出,抽濾,取一定量濾液放入比色皿中,加鉬酸銨、氯化亞錫顯色,靜止 20 min后進行測試。

1.2.3 再生實驗

配制不同濃度的 NaOH溶液,加入失去活性的吸附劑,選擇不同的再生時間進行再生,再生后選擇最佳吸附條件進行吸附實驗,分析不同再生條件對吸附劑的再生效果。

2 結果與討論[2]

2.1 三氯化鐵造粒條件的實驗

2.1.1 三氯化鐵溶液質量濃度對吸附容量的影響

不同三氯化鐵溶液質量濃度 (30,40,50,60,70 g/L)配制的吸附劑 0.1 g,分別加入 10 mL質量濃度為 50μg/mL的磷酸二氫鉀,放在振蕩器上靜態吸附 4 h,將它們取下來過濾得濾液,進行實驗分析并計算吸附容量。其結果見圖 1。從圖 1可以看出:隨著三氯化鐵溶液濃度的不斷增加,吸附容量也在不斷增加,但在三氯化鐵溶液質量濃度超過50 g/L的時候吸附容量的變化并不是很明顯。因此三氯化鐵溶液質量濃度為 50 g/L時效果最佳。

圖 1 吸附容量與三氯化鐵溶液質量濃度的關系

2.1.2 熟化時間對吸附容量的影響

分別稱取熟化時間為 15,25,35,45,55 min的吸附劑 0.1 g放入 5個燒杯中,加入 10 mL,50μg/mL的磷酸二氫鉀,進行振蕩吸附 4 h,將它們過濾得濾液,進行實驗分析。其結果見圖 2。從圖 2可以看出:隨著熟化時間的變化,其吸附容量也在變化,當三氯化鐵溶液熟化時間為 35 min時,其吸附效果最好。因此選擇熟化時間為 35 min。

圖 2 吸附容量與熟化時間的關系

2.1.3 中和時間對吸附容量的影響

分別稱取中和時間為 0.5,1,1.5,2,2.5,3 h的吸附劑 0.1 g放入 5個燒杯中,加入 10 mL,50μg/mL的磷酸二氫鉀,進行振蕩吸附 4 h,將它們過濾得濾液,進行實驗分析。其結果見圖 3。從圖 3可以看出:隨著中和時間的不斷延長,吸附效果明顯提高,在中和時間為 2.5 h時,吸附容量已經達到飽和。之后,隨著中和時間的延長其吸附容量變化不大。因此,選擇中和時間為 2.5 h。

圖 3 吸附容量與中和時間的關系

2.2 吸附劑對磷酸根吸附條件的實驗[3]

2.2.1 不同吸附時間對吸附容量的影響

分別稱取吸附劑 0.1 g放入 6個燒杯中,分別加入 10 mL,50μg/mL的磷酸二氫鉀,放入振蕩器中振蕩,分別吸附 2,4,6,8,10,12 h后將它們取下來過濾得濾液,進行實驗分析并計算吸附容量。其結果見圖 4。從圖 4可以看出:隨著吸附時間的不斷延長,吸附效果明顯提高,當吸附劑吸附10 h時,吸附效果最佳。之后,隨著吸附時間的延長其吸附容量變化不大。因此,選擇吸附時間為10 h。

圖 4 吸附容量和吸附時間的關系

2.2.2 不同粒徑對吸附容量的影響

分別稱取不同粒徑的吸附劑 0.1 g(平均粒徑分別為 180,200,300,550,850μm)放入 5個燒杯中,分別加入 10 mL,100μg/mL的磷酸二氫鉀在振蕩器上振蕩 4 h后,將它們過濾得濾液,進行實驗分析并計算吸附容量。其結果見圖 5。從圖 5可以看出:隨著吸附劑粒徑的不斷變化,吸附容量也在變化。當吸附劑平均粒徑為 550μm時,吸附效果最佳。因此,選擇吸附劑平均粒徑為550μm。

圖 5 吸附容量和粒徑的關系

2.2.3 不同吸附溫度對吸附容量的影響

分別稱取吸附劑 0.1 g放入 5個燒杯中,分別加入 10 mL,50μg/mL的磷酸二氫鉀,分別在不同溫度 (20,30,40,50,60℃)的恒溫槽中吸附 4 h,每隔 30 min搖勻溶液。將它們取下來過濾得濾液,進行實驗分析并計算吸附容量。其結果見圖 6。從圖6可以看出:隨著吸附溫度不斷上升,吸附效果明顯提高,當吸附劑在 50℃吸附時,吸附效果最佳。因此,選擇吸附溫度為 50℃。

2.2.4 不同介質 pH對吸附容量的影響

分別稱取吸附劑 0.1 g放入 6個燒杯中,分別加入 10 mL,50μg/mL的磷酸二氫鉀,放入振蕩器中振蕩 4 h,其介質的 pH分別是 2.5,4.5,5.5,7.5,9.5,11.5。分別取濾液進行實驗分析并計算吸附容量。其結果見圖 7。從圖 7可以看出:隨著 pH的升高吸附容量逐漸降低,當溶液的 pH為 2.5時吸附容量明顯高出,之后降低且變化趨勢穩定。因此,選擇介質 pH為 2.5。

圖 6 吸附容量和吸附溫度的關系

2.2.5 磷酸鹽的初始濃度對吸附容量的影響

圖 7 吸附容量和介質 pH的關系

分別稱取吸附劑 0.1 g放入 5個燒杯中,各加入 10 mL不同濃度的磷酸二氫鉀 (1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 mmol/L),放在振蕩器上振蕩吸附 4 h。分別取濾液進行實驗分析并計算吸附容量。其結果見圖 8。從圖 8可以看出:隨著磷酸鹽初始濃度的逐漸增加,吸附容量逐漸降低且變化較明顯。因此,選擇磷酸鹽初始濃度為 1.0 mmol/L。

圖 8 吸附容量和磷酸鹽初始濃度的關系

2.2.6 不同溶劑量對吸附容量的影響

分別稱取吸附劑 0.1 g放入 5個燒杯中,各加入 10,15,20,25,30 mL,50μg/mL的磷酸二氫鉀,放入振蕩器中振蕩吸附 4 h。分別取濾液進行實驗分析并計算吸附容量。其結果見圖 9。從圖 9可以看出:隨著溶劑量的不斷增加,其吸附容量在不斷地增加,在溶劑量為 30 mL時吸附效果最佳。因此,選擇溶劑量為 30 mL。

圖 9 吸附容量和不同溶劑量的關系

2.3 再生條件實驗[4]

2.3.1 再生時間對吸附容量的影響

將失去活性的吸附劑在室溫下用 10 mL,1 mol/L的NaOH溶液再生。再生時間分別為 4,8,12,16,20 h。然后在最佳吸附條件下進行吸附實驗。進行實驗分析,并計算吸附容量。其結果見圖10,從圖10可以看出:再生時間為4 h效果最好。另外,在實驗過程中,當再生時間少于 4 h的情況下,實驗數據結果得到的是變化無常的曲線,無規律可言,只有再生時間在 4 h以上才穩定,有規律可循。因此,考察再生時間對吸附性的影響實驗都在4 h以上。

圖 10 吸附容量和再生時間的關系

2.3.2 NaOH溶液的濃度對吸附容量的影響

將失去活性的吸附劑在室溫下用 10 mL濃度分別為 0.5,1.0,1.5,2.0 mol/L的 NaOH溶液再生,再生時間為 4 h。然后在最佳吸附條件下進行吸附實驗。進行實驗分析,并計算吸附容量。其結果見圖 11。從圖 11可看出:NaOH的濃度為 0.5 mol/L時,吸附容量最大。

圖 11 吸附容量和NaOH濃度的關系

3 結論

1)采用氨水中和三氯化鐵造粒制成吸附劑,再吸附溶液中的磷酸根,實驗過程分為造粒、吸附、再生 3部分。實驗得出如下結論:造粒實驗最佳條件:FeCl3溶液質量濃度為 50 g/L、熟化時間為 35 min、中和時間為 2.5 h;吸附實驗最佳條件:吸附時間為10 h、吸附劑粒徑為 550μm、吸附溫度為 50℃、介質 pH為 2.5、磷酸鹽初始濃度為 1 mmol/L、磷酸鹽溶劑量為 30 mL;再生實驗最佳條件:再生時間為4 h、NaOH溶液濃度為 0.5 mol/L。2)氨水中和三氯化鐵進行造粒制成無機水合氧化物對含磷廢水進行處理的方法可克服常見吸附劑價格高昂、貨源較緊以及需要的設備和工藝過程的缺陷,因此具有很大的發展潛力和推廣價值。

[1] 天津大學物理化學教研室.物理化學 (下冊)[M].3版.北京:高等教育出版社,1992:196-200.

[2] 天津大學化工技術基礎實驗教研室.化工基礎實驗技術[M].天津:天津大學出版社,1989:39-59.

[3] 孫家壽,劉新星.天然沸石復合吸附劑處理含磷廢水的研究[J].離子交換與吸附,1992,8(1):20-25.

[4] 魏復盛.水和廢水監測分析方法[M].3版.北京:中國環境科學出版社,1997:297-321.

Research on preparation of phosphate radical absorbent with neutralization method

Wang Xiang,Zhou Qili
(CNOOC Tianjin Chem ical Research&Design Institute,Tianjin300131,China)

An absorbent forphosphate radicals has been preparedwith ferric trichloride and ammonia,which is an inorganic hydrous oxide.In exper iment,preparation of the absorbent,adsorption process to phosphate radicals,and regeneration were studied and discussed.Influencesof various factors,such as concentration of ferric trichloride solution,aging time,neutralization time,adsorption time,particle size of absorbent,adsorption temperature,pH,initial concentration of phosphate solution,and phosphate solvent dosage on adsorptive capacity,were discussed.Results indicated that the absorbent′smaximum removing rate of phosphate radicals reached above 93%.Furthermore,regeneration condition was simple and regeneration effectwas good.

adsorbent;phosphate radical;ferric trichloride

TQ126.35

A

1006-4990(2010)01-0037-04

2009-07-21

王翔 (1981— ),男,工學學士,助理工程師,從事環境咨詢評價工作。

聯系方式:seven811@126.com