沸石對氨氮的吸附及解吸效果研究

黨鵬剛，張　英

(1 陜西渭河煤化工集團有限責任公司，陜西　西安　714000；2 蒲城清潔能源化工有限責任公司，陜西　西安　714000)

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沸石對氨氮的吸附及解吸效果研究

黨鵬剛1，張英2

(1 陜西渭河煤化工集團有限責任公司，陜西西安714000；2 蒲城清潔能源化工有限責任公司，陜西西安714000)

沸石作為一種性能優良的填料常被用于人工濕地。通過對人工濕地常用填料——沸石進行氨氮吸附及解吸試驗得出，沸石的吸附性能優于石灰石等常用填料的吸附性能；在不同標準銨濃度溶液中，沸石對氨氮的最大吸附濃度可達到1.58 mg/g，隨著氨氮濃度增加，吸附量也有相應增加；在吸附飽和以后通過強制干燥或自然風干，均能得到較好的恢復，解吸率分別高達80%和73%。

人工濕地；沸石；填料；吸附

人工濕地的填料種類繁多，主要有石灰石、砂石、細沙、高爐鋼渣、建筑廢料、陶瓷、沸石等。填料在濕地運行中主要起到初期截留粗大雜質、為微生物提供生存介質、決定濕地布水方式、對各類污染物進行吸附等作用。近年來，人們通過對濕地填料進行改性、改型等方式來探究填料對濕地處理效果的具體影響，越來越多的實驗和事實表明：填料的種類、性能、布置方式等對濕地出水有著明顯的影響[1]。本文對以強吸附性能著稱的沸石進行單獨吸附試驗，以探究其吸附作用在人工濕地氨氮去除中的影響。

1　實　驗

1.1實驗裝置

試驗以小試方式完成，所用儀器有：普通錐形瓶；SHZ-82A水浴恒溫振蕩器，金壇科教；752N型紫外分光光度計，上海精科；E101電子控制恒溫鼓風干燥箱，武漢元素科技等；

1.2實驗原理

沸石本身的吸附性能就高于一般填料，并且具有離子交換性，是分子篩的一種，一般化學式為：AmBpO2p·nH2O，結構式為A(a/q)[(AlO2)x(SiO2)y]n(H2O)。其中：A為Ca、Na、K、Ba、Sr等陽離子，B為Al和Si，p為陰離子化合價，m為陽離子數，n為水分子數，x為Al原子數，y為Si原子數。沸石內部結構具有一定孔徑的空腔和孔道，這是決定其吸附和離子交換性能的根本所在，其離子交換選擇性順序如下[2]：

如圖1為沸石內部污染物被吸附擴散過程示意圖[4]。

圖1　沸石內部污染物擴散原理Fig.1　The principle of the pollution diffuse in zeolite

1.3分析方法

氨氮：納氏試劑比色法。

2　結果與討論

2.1沸石吸附特性研究

(1)稱取30 g沸石，并配制60 mg/L的銨標準溶液，其氨氮濃度為60 mg/L。

(2)將沸石置于500 mL錐形瓶，加入200 mL已配置60 mg/L的銨標準溶液。

(3)將錐形瓶放在25 ℃水浴振蕩器中振蕩，連續24 h，每2 h對溶液中的氨氮濃度進行檢測。

吸附量Γ(mg·g-1)計算公式如下：

Γ=(C0-Ce)V/m

(1)

式中：C0——NH4Cl溶液起始濃度，mg·L-1

Ce——吸附后NH4Cl溶液平衡濃度，mg·L-1

V——溶液體積，L

m——沸石重量，g

如圖2所示，我們可以看出隨著時間的推移沸石對氨氮的吸附量逐漸增大，但其吸附效率卻逐漸下降，24 h后，從吸附量來觀察，溶液中95%以上的氨氮被吸附掉。同時，由曲線我們可以看出，在吸附的初期，沸石對氨氮的吸附速度較快，隨著時間的推移，氨氮在溶液和沸石中的濃度分布達到平衡，沸石逐漸接近吸附飽和狀態，吸附速度也隨之變慢，達到吸附平衡狀態。

圖2　沸石吸附量和溶液中氨氮的關系Fig.2　Relationship between adsorption capacity of zeolite and ammonia nitrogen in solution

圖3　氨氮濃度為60 mg/L單位質量沸石對氨氮的吸附量Fig.3　The adsorption capacity of unit zeolite when ammonia nitrogen concentration 60 mg/L

由圖3我們可以得出相同的結論：隨著時間的推移，沸石對氨氮的吸附量逐漸增大，但是吸附效率卻逐漸下降，最后終究會達到一個吸附平衡。由圖中數據分析得出：單位質量的沸石對氨氮的吸附量可達到0.37 mg/g。張曦[5]等人在沸石吸附性能研究中發現在5 g/L的氨氮溶液中，沸石的最大吸附量可以達到11.5 mg/g。可見沸石的吸附潛能是巨大的。

以上曲線分析我們可以得出沸石的吸附規律：剛開始時，吸附速率較快，隨著時間推移，其吸附容量逐漸飽和，吸附速率變得很慢，其吸附曲線則變得更加平直。

2.2沸石和石灰石吸附特性比較

根據以上試驗結果，針對石灰石做類似吸附試驗，通過對比得出各填料的優劣性。試驗步驟同上：

(1)分別稱取沸石和石灰石各30 g，分別配制0.36 mg/L和300 mg/L的銨標準溶液，其氨氮濃度分別為0.36 mg/L和300 mg/L。

(2)將沸石和石灰石分別置于500 mL錐形瓶，加入200 mL已配置的銨標準溶液。

(3)將錐形瓶置于25 ℃恒溫水浴振蕩器中振蕩，進行連續24 h的吸附試驗，2 h一次檢測溶液中氨氮濃度。

圖4　氨氮濃度為0.36 mg/L時沸石和石灰石吸附試驗Fig.4　Compare zeolite with limestone when ammonia nitrogen concentration was 0.36 mg/L

圖5　氨氮濃度為300 mg/L時沸石和石灰石吸附試驗Fig.5　Compare zeolite with limestone when ammonia nitrogen concentration was 300 mg/L

圖4是初始濃度為0.36 mg/L時沸石和石灰石對氨氮的吸附曲線，圖5是初始濃度為300 mg/L時沸石和石灰石對氨氮的吸附曲線。對比分析沸石和石灰石吸附曲線特性，可以得出以下結論：在高濃度和低濃度的情況下，沸石對氨氮的吸附量要比石灰石對氨氮的吸附量大得多，所以從填料吸附方面來講，沸石比石灰石具有更好的吸附性能更適合作為人工濕地填料；在低濃度(氨氮濃度為0.36 mg/L)時，沸石對氨氮的吸附很快達到一個吸附平衡(基本在4～6 h內完成)，其單位質量沸石對氨氮的吸附量約為0.002 mg/g；而在高濃度(氨氮濃度為300 mg/L)吸附下達到的平衡時間相對較長，就圖4看，在16 h以后曲線才基本趨于平穩，單位質量沸石的吸附量可以達到1.58 mg/g；而就石灰石的吸附曲線來看，其表現出較差的吸附效果，在低濃度時(氨氮濃度為0.36 mg/L)其最大的吸附量為0.0017 mg/g；在氨氮濃度為(氨氮濃度為300 mg/L)時其最大吸附量為0.136 mg/g，并且在氨氮濃度較高時表現得極不穩定。

2.3沸石脫附性能研究

當填料吸附的物質達到一定程度后，就會呈現吸附飽和狀態，如何使填料回歸初始的吸附狀態，是研究填料吸附性能的一個重點。盧少勇等[63]在通過對人工濕地中沸石和土壤的氮吸附與再生進行試驗研究中提出，用曝氣的方法使其濕地填充基質恢復活性。劉昌偉等[6]通過潮汐流運行的方法來增加人工濕地溶解氧，進一步增強人工濕地填料活性達到增強處理能力的目的。趙亞乾等[7]也提出使人工濕地空置的方法使填料再生。其方法為：在人工濕地運行一段時間后，將其內部的污水全部排放，使內部的基質干化，這樣可以恢復部分吸附功能。

在小試試驗中，將吸附試驗中300 mg/L情況下吸附平衡的沸石和石灰石分別進行解吸試驗，其方法為：

將吸附充分飽和的沸石和石灰石分別放在121 ℃烘箱烘干和放在自然情況下陰干，24 h后，將其放入錐形瓶，加入0.5 mol/L的HCl溶液在25 ℃下振蕩24 h，然后測定溶液中氨氮含量來計算解吸率η(%)[8]。

η=(1-Γ/Γ0)×100%

(2)

式中：Γ0——新鮮沸石氨氮吸附量，mg/g

Γ——解吸后沸石殘留的氨氮吸附量，mg/g

表1　沸石和石灰石在不同的條件下解吸后解吸率比較Table 1　Comparison of desorption rate of zeolite and limestone under different conditions　(%)

通過以上解吸數據可以看出，在自然風干的情況下，沸石對氨氮的解吸率也可以達到很高[9]，張曦進行的天然沸石對氨氮的解吸試驗中得到沸石上氨氮的解吸率可以達到60%以上[5]。在本試驗中，石灰石作為對比試驗，由于石灰石質密，孔隙率小，其吸附效果和解吸效果表現很差，至少很不明顯。由此可以看出，在作為人工濕地填料應用來看，沸石無疑可以

作為一種很好的選擇，但是一般考慮代價和來源，可以采用表鋪、底鋪或者間接添加，也可以收到良好的應用效果，在盧少勇等人的人工濕地研究中也有此應用案例[1]。

3　結　論

(1)通過不同濃度標準銨溶液吸附試驗對比發現，溶液濃度越大，單位質量沸石對其吸附量越大；且在沸石吸附容量范圍之內，沸石和溶液之間的氨氮濃度最終會達到平衡狀態。

(3)在沸石和石灰石的解吸方面，在300 mg/L的氨氮溶液中吸附飽和的沸石，自然狀況下，解吸率可達到70%以上。

(4)在特殊情況下，可以通過添加高效填料，如沸石等多孔介質，對人工濕地污染物強化吸附，是一種快速提高濕地處理效率的辦法。

[1]盧少勇,張彭義,余剛.人工濕地沸石填充方式研究[J].環境科學研究,2006, 19(3):91-95.

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[3]溫東輝.天然沸石吸咐：生物再生技術及其在滇池流域暴雨徑流污染控制中的試驗與機理研究[D].北京:北京大學,2003.

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[5]張曦,吳為中,溫東輝,等.氨氮在天然沸石上的吸附及解吸[J].環境化學,2003,22(2):166-172.

[6]劉昌偉,薛晨,楊永哲,等.新型潮汐流人工濕地深度處理生活污水的研究[J].中國給水排水, 2011,28(11):10-13.

[7]Yang Y,Zhao Y Q,Babatunde A O,et al.Characteristics and mechanisms of phosphate adsorption on dewatered alum sludge[J].Sep Purif Technol,2006,51(2):193-200．

[8]張躍峰,劉慎坦,謝祥峰,等.人工濕地處理農村生活污水的脫氮影響因素[J].江蘇大學學報(自然科學版),2011, 32(4): 487-491.

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Study on Effect of Adsorption and Desorption for Zeolite to Ammonia Nitrogen

DANGPeng-gang1，ZHANGYing2

(1 Shaanxi Weihe Coal Chemical Corporation Group Ltd., Shaanxi Xi’an 714000;2 Pucheng Clean Energy Chemical Company Ltd., Shaanxi Xi’an 714000, China)

artificial wetland; zeolite; the filler; adsorption

黨鵬剛(1985-)，男，碩士研究生，從事環保管理方面工作。

X523

B

1001-9677(2016)015-0104-03