N201負載Fe(Ⅲ)復合材料對Sb(Ⅲ)的深度吸附和再生試驗研究

李福勤，任志輝

(河北工程大學 能源與環境工程學院，河北 邯鄲056038)

N201負載Fe(Ⅲ)復合材料對Sb(Ⅲ)的深度吸附和再生試驗研究

李福勤，任志輝

(河北工程大學 能源與環境工程學院，河北 邯鄲056038)

通過靜態和動態吸附試驗研究強堿性凝膠型陰離子交換樹脂N201負載Fe(Ⅲ)復合材料對水中Sb(Ⅲ)的吸附性能及其再生方法。結果表明：N201-Fe(Ⅲ)對Sb(Ⅲ)的最大靜態吸附容量為610μg/g，最佳pH值為7，在有SO42-、Cl-等競爭離子共存條件下，N201-Fe(Ⅲ)仍然對Sb(Ⅲ)具有高效的選擇性吸附能力；動態吸附容量為94.05mg/L；EDTA為最佳再生劑，在動態條件下再生度達到85%。

N201負載Fe(Ⅲ)；Sb(Ⅲ)；吸附；再生

銻是一種重金屬元素，具有慢性毒性和潛在致癌性[1-2]。目前處理含銻廢水主要有吸附、離子交換、化學沉淀、電解還原等方法[3-4]，其中吸附法具有工藝簡單、成本較低、操作簡單等優點，存在的主要問題是離子選擇性較低、吸附-解吸過程可逆性較差。為此，研究開發具有高選擇性和高再生度的新型吸附材料具有重要的現實意義[5-6]。潘炳才等[7]以D201為載體將HFO載入樹脂中形成納米吸附材料對As(Ⅴ)進行吸附并取得了很好的效果。李福勤等[8]采用D201負載Fe(Ⅲ)深度處理含As(Ⅲ)廢水，出水含砷(Ⅲ)量達到地表水Ⅲ類水標準。而砷和銻為同主族元素[9-10]，鐵和錳的氫氧化物或氧化物在重金屬的分布中起主要作用[11]。Belzile等[12]在實驗室中模擬鐵和錳氫氧化物的形成過程，論證了自然水體及其沉積物中存在的鐵和錳的氫氧化物能夠吸附銻并將毒性較大的Sb(Ⅲ)轉化為Sb(Ⅴ)。本文將Fe(Ⅲ)固載到N201離子交換樹脂上，采用新合成的N201-Fe(Ⅲ)，研究其對水體中微量Sb(Ⅲ)的吸附性能。

1 實驗部分

1.1主要實驗儀器材料

電子天平，恒溫空氣浴振蕩器，pH計，原子熒光分光光度計(AFS-230，北京海光儀器)、吸附柱等。

N201-Fe(Ⅲ)、樹脂N201(蘇青公司)、銻標準溶液，三氧化二銻、乙醇、氯化鐵、硫脲、抗環血酸、鹽酸、硼氫化鈉、氯化鈉、氫氧化鈉、硫酸鈉、乙二胺四乙酸二鈉等均為分析純。

1.2Sb(Ⅲ)儲備液的制備

Sb2O3取0.610 3g，溶于100mL裝有6mol/L的HCl的燒杯中，然后用去離子水定容到1 000mL容量瓶中。溶液濃度為500μg/mL。

1.3 靜態吸附試驗

取0.5gN201-Fe(Ⅲ)于錐形瓶中，加入100mL一定量銻濃度水樣(由儲備液加去離子水配制)，調節pH值為7，放入恒溫空氣浴振蕩器中，溫度20℃，轉速120r/min，吸附時間2h。取上清液測得其濃度，計算出銻的去除率和吸附容量。

1.4 動態吸附試驗

將N201-Fe(Ⅲ)裝入內徑32mm的吸附柱中，厚度600mm。水樣(由儲備液加自來水配制總硬度350mg/L、硫酸根250mg/L、氯離子250mg/L)中銻含量500μg/L。調節pH值為7，流速為12.5m/h。在試驗過程中，每隔20min取樣，測定出水的Sb(Ⅲ)濃度，直至大于5μg/L(地表水環境Ⅲ類質量標準)，作出穿透曲線，計算銻的動態吸附容量。

2 結果與討論

2.1 靜態最大吸附容量

在pH為7、溫度20℃的靜態試驗條件下，靜態最大吸附容量如圖1所示。

由圖1可知，N201-Fe(Ⅲ)對Sb(Ⅲ)的吸附容量隨溶液中Sb(Ⅲ)的濃度的增大而增大，當Sb(Ⅲ)濃度達到一定值后，吸附容量不再增大，最大吸附容量為610μg/g。

2.2pH對吸附性能的影響

在銻濃度100μg/L、溫度20℃的靜態試驗條件下，pH對銻的吸附性能的影響如圖2所示。

2.3溫度對吸附性能的影響

在銻濃度100μg/L、pH值為7的靜態試驗條件下，溫度對銻的吸附性能的影響如圖3所示。

由圖3可知，溫度越高離子運動就會更加激烈，與吸附劑的碰撞也會更加頻繁，占據吸附劑自由吸附位點的幾率也就增加，這自然會增加離子被吸附的可能，因此去除率和吸附量都會隨著溫度的升高而增加。在20℃之前溫度提高，銻的去除率明顯提高；25℃之后，去除率提高不明顯。說明N201-Fe(Ⅲ)對Sb(Ⅲ)的吸附為吸熱過程，最佳溫度范圍為20℃～25℃。

2.4 競爭吸附的影響

受污染水體中陰離子如SO42-、Cl-等的濃度往往高出銻濃度幾十至幾百倍，這些陰離子會影響樹脂對Sb的吸附性能。溶液中競爭離子SO42-、Cl-濃度為500mg/L時，對比N201和N201-Fe(Ⅲ)對Sb(Ⅲ)的去除率，如圖4所示。

結果表明，N201和N201-Fe(Ⅲ)對單一銻的去除率差不多，當競爭離子SO42-，Cl-等的濃度遠遠高于銻的濃度時，N201對銻的去除率大大降低，而N201-Fe(Ⅲ)對銻的去除率仍在97%以上。由于N201吸附機理主要為離子交換作用，高濃度的SO42-、Cl-與Sb(Ⅲ)在樹脂表面發生競爭吸附會先和N201發生反應，占據吸附劑大量的吸附位點；另外離子強度會減少N201表面的正電荷及減少Zeta電位[14]，導致N201對Sb(Ⅲ)的去除率減少。N201-Fe(Ⅲ)中Fe(Ⅲ)與Sb因特殊的親和力形成配位鍵生成絡合物，又因為N201-Fe(Ⅲ)表面強堿基團存在而形成Donnan膜效應[15]，所以有很高的選擇性去除率。

2.5 動態穿透實驗

N201-Fe(Ⅲ)對Sb(Ⅲ)的動態吸附結果如圖5所示。

由圖5可知，試驗出水中銻濃度大于5μg/L時，認為樹脂濾層被穿透；N201-Fe(Ⅲ)過流體積比為190BV，吸附容量為94.05mg/L。

2.6 靜態再生實驗

(1)靜態再生：錐形瓶中加入失效后N201-Fe(Ⅲ)樹脂1g/L，選用5%HCl、2%EDTA、5%NaOH、5%NaCl做再生劑，放入恒溫空氣浴振蕩器中，反應時間2h，測定溶液中的銻含量、鐵含量，結果如表1所示。

表1不同再生劑靜態再生效果

由表1可知，再生劑為HCl的脫銻量最多，EDTA次之，NaOH和NaCl很少。HCl脫鐵量也最多，NaOH脫落最少。綜合比較EDTA為最佳再生劑，并通過動態再生驗證。

(2)動態再生：采用2%EDTA再生動態失效后的N201-Fe(Ⅲ)，再生方法為逆流再生，流速1.5BV/h，下進液30min，后浸泡30min。再生后動態穿透曲線如圖6所示。

圖6表明：采用EDTA再生后吸附容量為82.25mg/L，再生率為85%，滿足工業應用要求。

3 結論

1)N201-Fe(Ⅲ)復合材料對Sb(Ⅲ)的最大靜態吸附容量為610μg/g。最佳pH值為7。在有SO42-、Cl-等競爭離子共存條件下，仍然對Sb(Ⅲ)具有高效的選擇性吸附能力。

2)N201-Fe(Ⅲ)深度吸附濃度為500μg/L的廢水，對Sb(Ⅲ)的穩定處理出水量為190BV，吸附容量為94.05mg/L。采用2%EDTA對N201-Fe(Ⅲ)樹脂進行再生，再生度達到85%，滿足工業應用要求。

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(責任編輯 王利君)

Study on adsorption behavior and desorption of N201 resin loaded ferric iron for Sb( Ⅲ)

LIFuqin,RENZhihui

(CollegeofEnergyandEnvironmentalEngineering,HebeiUniversityofEngineering,HebeiHandan056038,China)

TheadsorptionbehavioranddesorptionmethodofaqueousSb(III)onN201supportedbyFe(III)adsorbentmaterialwereexaminedbystaticanddynamicadsorptionexperiments.TheresultsshowthatN201-Fe(III)onSb(III)maximumstaticadsorptioncapacityis610μg/g,thebestpHis7,andtheN201-Fe(III)resinisstillhighlyselectiveforSb(III)whilecoexistingwithSO42-,Cl-inhighconcentration.Thedynamicadsorptioniscapacityof94.05mg/L.EDTAisthebestregenerativeagent,underdynamiccondition,itsregenerationdegreecanbeupto85%.

N201resinloadedferriciron;Sb(Ⅲ);adsorption;regeneration

1673-9469(2016)04-0072-04doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.016

2016-08-07

河北省科技計劃項目(15274006D) 特約專稿

李福勤(1966-)，男，山西臨縣人，博士，教授，從事水污染控制工程及資源化、膜法水處理技術的研究。

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