片沸石吸附南湖水COD的試驗研究

鄭汝偉等

摘要

[目的]研究片沸石對武漢南湖水中COD的吸附。[方法]以片沸石為吸附劑，研究沸石的吸附時間、投入量、粒徑、環境pH對吸附效果的作用。[結果]片沸石對南湖水中COD有較好的吸附效果，在吸附時間為40 min、投加量為20 g/L、沸石粒度為-74 μm、pH=7時，吸附率為63%左右。吸附過程符合準二級反應動力方程和Freundlich吸附等溫方程。[結論]該研究為天然沸石在污水處理中的應用提供了依據。

關鍵詞 片沸石；COD；吸附；湖泊水；試驗

中圖分類號TD985文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）28-09879-02

Experimental Study of the Adsorption of COD by Heulandite in South Lake Water

ZHENG Ruwei，GUAN Junfang，ZHANG Jinhu et al

（School of Resource and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan，Hubei，430070）

Abstract[Objective] The research aimed to study the adsorption of COD by using heulandite in Wuhan South Lake. [Method] Taking heulandite as adsorbent，the effects of the adsorption time of adsorption，the dosage of adsorbent，article size and the pH of solution were studied..[Result]The heulandite had a good adsorption effect on COD in South Lake water.When the time of 40 minutes， the dosage of 20 g/L， the grain size less than 74 μm， the pH of 7， its adsorption rate was about 63%.The adsorption process conformed to pseudosecond order equation， the adsorption isotherms followed the Langmuir isothermal equation more exactly.[Conclusion] The study provides the basis for the application of natural zeolite in wastewater.

Key words Heulandite；COD；Adsorption；Lake water； Experiment

隨著我國城市人口不斷增加，城市內湖泊的水質環境愈加惡化。現在國內研究吸附法處理污水的有很多，但研究方向側重于吸附水中的氨氮[1]。天然沸石具有離子交換性、吸附性、催化性、耐酸性、耐熱性、耐輻射性等優異性能[1]。筆者以片沸石為吸附劑，研究了遼寧葫蘆島片沸石對湖水COD吸附，以期為片沸石在湖水凈化中的應用提供信息。

1材料與方法

1.1試驗材料和試劑

片沸石，采自遼寧葫蘆島，樣品經破碎、篩分備用。湖泊水，取自武漢市南湖。試劑，重鉻酸鉀消解液、重鉻酸鉀標定液、硫酸亞鐵銨標準溶液，菲啰啉、硫酸亞鐵、硫酸銀。

1.2試驗儀器

MS3型微波消解COD測定儀、852型恒溫磁力攪拌器、LXJIIB低速大容量多管離心機、試驗室pH計（Starter3C）。

1.3 試驗方法

取1 g粒度為-74 μm的片沸石，在50 ml南湖水樣、pH=7、室溫條件，磁力攪拌器以200 r/min速率進行攪拌，在吸附時間分別為10、20、30、40、50、60 min下，研究吸附時間對COD去除率的影響。確定最佳吸附時間后，分別改變沸石投加量（0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 g）、粒度（-350、-149、-74、-58、-44 μm）、水樣pH（1、4、7、11、13），進行單因素試驗研究其對COD去除率的影響。采用微波消解法測定水樣中的COD含量，相關公式如下：

2結果與分析

2.1吸附時間對COD去除率的影響

在40 min以前，隨著攪拌時間的增加，吸附率逐漸升高；40 min后，吸附曲線趨于平穩。吸附初期，沸石顆粒內的微孔較多，吸附驅動力大[2]，吸附水中有機物的速度較快；在吸附一定時間后，粘附到沸石顆粒上的有機分子占據大部分的微孔隙，吸附達到平衡。經多次試驗驗證，40 min為最佳吸附時間，吸附后效果可達60.5%。

2.2投加量對COD去除率的影響

隨著沸石的增加，COD含量顯著降低。因為沸石顆粒的總表面積增加，吸附微孔數量增加使水樣中的有機物迅速減少[3]。之后逐漸達到吸附平衡，單位沸石的吸附率在大于1 g時呈下降趨勢。試驗證明在投加量為20 g/L的時候吸附效果最好。

2.3粒度對COD去除率的影響

粒度在-74 μm左右效果最好，吸附率可達61%。粒度過小反而吸附效果不好，因為湖泊水中的天然有機物通常包含大量的腐殖質，而腐殖質的分子量很大[4]。當沸石粒度減小到一定程度之后，這些腐殖質以及人工合成的有機大分子不能被吸附到沸石顆粒上或極容易脫附，于是便懸浮在水中被重鉻酸鉀還原，吸附效果降低，故選取-74 μm為宜。

2.4pH對COD去除率的影響

在強酸和強堿的環境下，沸石的吸附效果均不理想。水中的人工合成的有機物部分可被水中的微生物降解[4]。pH過高或過低，會導致微生物的活性降低，使水中的COD濃度變高。在pH為7～8時，吸附效果最好，吸附效率約為62%。

2.5吸附動力學分析

根據公式（2）得吸附容量Q=3.125 mg/g。對試驗數據分別以準一級和準二級吸附動力學方程進行擬合，即

式中，k1為擬一級速率常數，min-1；k2為擬二級速率常數，g/（mg·min）；t為吸附時間，min；qt為t時刻沸石對COD的吸附量，mg/g；qe為平衡時沸石對COD的吸附量，mg/g。

準一級吸附動力學方程中各參數的值分別為qe=3.401 mg/g、k1=-0.031 min-1，準二級吸附動力學方程中各參數的值分別為qe=4.255、k2=0.009 69 min-1，且準一級和準二級吸附動力學方程擬合的線性相關系數R2分別為0.919和0.951，可見準二級動力學方程能較好地描述該吸附過程。片沸石對COD的吸附分為快速吸附和緩慢吸附以及吸附平衡3個階段[5]。第1階段為吸附初期，水樣中COD主要被吸附在天然沸石的外表面，吸附速度較快；第2階段為粒內擴散過程，有機分子沿沸石微孔向內部擴散，擴散阻力逐漸增加，導致吸附速率變慢，吸附作用主要表現在天然沸石內表面；第3階段有機分子脫附與被吸附的效果相抵消，助推力越來越小，吸附過程逐漸達到平衡。

2.6吸附等溫線

對吸附過程分別用Langmuir方程和Freundlich方程進行擬合，其方程分別為

式中，Qm為吸附劑最大吸附量，mg/g；KL為與吸附能量相關的Langmuir常數，L/mg；qe為吸附量，mg/g；Ce為平衡濃度，mg/L。Kf為與吸附劑吸附能力相關的Freundlich常數；n為與吸附強度相關的Freundlich常數。擬合模型參數分別為Qm=5.988 mg/g、KL=0.021 L/mg、Kf=0.221 L/mg、n=1.47。 相比于Langmuir方程，Freundlich方程能更好地描述天然沸石吸附COD的特征，相關系數為0.995。據Freundlich理論[5]，n>1時，表明吸附過程是優惠吸附[6]，此研究中n為1.47，說明片沸石對于COD有較好的吸附性能；Kf表示吸附能力的大小，試驗中Kf 較大，說明COD易于被沸石吸附。

3結論

（1）片沸石對南湖水中COD有較好的吸附效果，在298 K下，沸石投加量為20 g/L，粒徑-74 μm，pH=7，吸附時間40 min，水樣中COD的去除率達63.83%。

（2）湖水中COD被片沸石吸附過程可用準二級動力學方程來描述，沸石粉末的內部擴散是COD吸附的主要限制因素。

（3）Freundlich方程比Langmuir方程更好地描述COD在片沸石上的吸附行為，主要為多分子層吸附， n=1.47，說明片沸石對COD的吸附性能很好，是一種比較高效的吸附劑。

參考文獻

[1] 游少鴻，佟小薇，朱義年.天然沸石對氨氮的吸附作用及其影響因素[J].水資源保護，2010，26（1）：70-74.

[2] 劉愛麗，劉松，吳芳.活性炭對垃圾滲濾液COD吸附規律的研究[J].中國資源綜合利用，2013，31（2）：26-28.

[3] 朱玉艷.對改性沸石提高污水COD凈化效率的研究[J].環保論壇，2010（1）：1037-1039.

[4] 邢賾，陳玉成，熊佰煉，等.不同沸石材料對沼液中COD靜態吸附去除的研究[J].農機化研究，2013（11）：227-300.

[5] 孫同喜，鄭萌璐，蔣軼鋒，等.NaCl改性沸石對氨氮吸附性能的研究[J].環境污染與防治，2010，32（10）：46-50.

[6] 姜浩，廖立兵，鄭紅，等.赤泥吸附垃圾滲濾液中COD和氨氮的試驗研究[J].安全與環境工程，2007，14（3）：70-73.