鈰鐵吸附劑的制備及其吸附水中磷的性能研究

王莉紅

(云南大學材料科學與工程系,云南昆明 650091)

稀土元素具有許多其他元素所不具有的特殊性質[1-2]。近年來,人們對絡合物型溶膠-凝膠過程產生了濃厚興趣,此法可以把金屬離子均勻地分布在凝膠中,得到純度高、粒徑小、分散性好、成分均勻的納米粒子。用檸檬酸為配體可以制備比表面積較大的鈣鈦礦型復合氧化物 LaFeO3等[3];用檸檬酸鹽溶液乙醇脫水法可以制備PLZT粉末[4]或合成La-Mo系列二元復合氧化物催化劑[5]。試驗采用檸檬酸法制備Ce-Fe-O復合氧化物吸附劑,并研究了它對水中磷的吸附性能。

1 試驗部分

1.1 試劑和儀器

試驗所用試劑有:碳酸鈰(Ce(CO3)2),硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O),上海南匯彭鎮營房化工廠產品;硝酸(HNO3),汕頭市達濠區精細化學品有限公司產品;氨水(NH3·H2O),檸檬酸(C6H8O7·H2O),無水乙醇(C2H5OH),廣州化學試劑二廠產品;蒸餾水。

除特殊說明外,所有試劑均為分析純。

試驗所用設備有:TG-328B型電光分析天平(上海精密科學儀器有限公司),721分光光度計, p Hs-3C型精密p H計,JJ-78-1型攪拌器,電熱鼓風干燥箱,RJM-2.8-10型茂福爐,800型離心沉淀器(上海手術器械廠)。

1.2 Ce-Fe-O復合氧化物吸附劑的制備

稱取一定量碳酸鈰,加入5 mol/L硝酸至完全溶解,再加入2 mol/L氨水使之產生沉淀,離心水洗后加入稀硝酸,于60℃水浴加熱至形成淡黃色CeO2水溶膠。另將一定量Fe(NO3)3·9H2O溶于水,加入無水乙醇和0.5 mL濃硝酸,在所得溶液中加入適量檸檬酸,形成棕色溶液。將棕色溶液與CeO2水溶膠混合攪拌一定時間,形成棕色溶膠,將溶膠在100℃水浴中加熱至形成黏稠狀凝膠,所得凝膠在電熱鼓風干燥箱中于100℃下烘2 h,在馬弗爐中600℃下焙燒10 h,得到Ce-Fe-O復合氧化物。

1.3 靜態吸附

用KH2PO4(分析純)和蒸餾水配制質量濃度為50 mg/L(以P計)的磷酸鹽模擬水樣,使用時以蒸餾水稀釋至所需濃度。在各樣品瓶中加入一定量Ce-Fe-O復合氧化物粉末,用鹽酸或氨水溶液調節溶液p H。各樣品瓶在攪拌器上攪拌一定時間后,用中速濾紙過濾,對濾液進行水質分析。

水中的磷采用釩鉬酸分光光度法測定。

1.4 相關計算公式

吸附劑的平衡吸附量及水中磷的去除率采用下式計算:

式中:q——吸附劑的平衡吸附量,mg/g;ρ1, ρ2——吸附前后水樣中磷的質量濃度,mg/L;V——處理水的體積,mL;m——吸附劑質量,g; a——磷去除率,%。

2 結果與討論

2.1 鈰鐵吸附劑的吸附速率

在水樣中磷質量濃度10 mg/L、p H=4.5條件下,恒溫振蕩不同時間后,測定水中殘留磷的質量濃度,計算吸附量。試驗結果如圖1所示。

圖1 鈰鐵吸附劑的吸附速率

從圖1看出,鈰鐵吸附劑對水中磷的吸附主要發生在前1 h內,2 h時達到飽和。而活性氧化鋁的吸附速率試驗結果表明,在p H=4.5、其他條件相同情況下,吸附在3 h以后達到平衡。可見,相同條件下,鈰鐵氧化物吸附劑對水中磷的吸附速率比傳統吸附劑活性氧化鋁要快得多。

2.2 p H對鈰鐵吸附劑除磷的影響

在不同p H條件下,針對鈰鐵吸附劑和活性氧化鋁吸附劑進行吸附試驗。活性氧化鋁投加量2 g/L,接觸時間4 h;鈰鐵吸附劑投加量1 g/L,接觸時間4 h。試驗結果如圖2所示。

圖2 p H對吸附劑除磷吸附量的影響

圖2表明:磷質量濃度為50 mg/L時,活性氧化鋁的最佳p H吸附范圍為2.8～3.8,最大吸附量為9.4 mg/g;而鈰鐵吸附劑的最佳吸附p H范圍為4～5,最大吸附量為16.25 mg/g;同時,堿性條件下,鈰鐵吸附劑的吸附量也比較大。可見,鈰鐵吸附劑的使用p H范圍更寬,吸附量更大。

2.3 鈰鐵吸附劑的吸附平衡

描述水溶液中的吸附過程通常采用Langmuir方程。Langmuir方程的線性化形式為

式中:ρe——平衡質量濃度,mg/L;qe——平衡吸附量,mg/g;qm、kL——Langmuir方程系數,qm、kL值越大,表明吸附劑的吸附性能越好。吸附等溫線如圖3所示。

圖3 鈰鐵吸附劑的Langmuir吸附等溫線

圖3表明,鈰鐵吸附劑對廢水中磷的去除是有效的。在試驗濃度范圍內,鈰鐵吸附劑的除磷性能可以用Langmuir吸附等溫式進行描述。

3 結論

Ce-Fe-O復合氧化物吸附劑制備簡單。相同條件下,與活性氧化鋁相比,其吸附除磷效果更好,吸附量更大,接觸時間短,吸附機制符合Langm uir方程。針對Ce-Fe-O復合氧化物吸附劑,其制備方法、吸附機制、吸附動力學及結構與其他方面的性能還需進一步研究。

[1] 季君暉,史維明.抗菌材料[M].北京:化學工業出版社, 2003:8.

[2] 岳林海.稀土元素摻雜二氧化鈦催化劑光降解久效磷的研究[J].上海環境科學,1998,17(9):17-19.

[3] Tejuca L G,Fierro J L G,Tascon J M D.Structure and Reactivity of Perovskite-type Oxides[J].Adv Catal,1989,36 (2):237-328.

[4] 李德宇,徐月英,屠恒勇,等.Y-Ba-Cu-O系高溫超導相晶體結構的研究[J].無機材料學報,1988,3(1):27-31.

[5] 匡文興,范以寧,陳開東,等.La-Mo系列復合氧化物超細微粒催化劑的制備[J].物理化學學報,1996,12(9):861-865.