改性沸石處理低濃度氨氮水的實驗研究

黃雅莉,郭 琳

(1. 江蘇久力環境股份科技有限公司贛州分公司,江西 贛州 341000；2.江西理工大學 江西省礦冶環境污染控制重點實驗室,江西 贛州 341000)

處理氨氮水的方法很多，但對于不同類型、不同濃度的氨氮水，應從經濟安全、應用方便、處理高效、性能穩定等方面來選擇合適的處理方法。對于低濃度氨氮水的處理方法主要有以下幾種：生物脫氮法[9-10]，高級氧化法[11-12]，折點氯化法[13-14]，離子交換法[15-16]及吸附法[17-23]。吸附法以其使用簡便、經濟、可再生等特點而被廣泛用來處理低濃度氨氮水的方法，但是由于活性炭價格高而導致廢水處理成本高，因而限制了它們的大量應用。沸石具有高效吸附氨氮的性能，由于其來源豐富，價格低廉，大大降低了低濃度氨氮水的處理費用，因此，沸石吸附法處理低濃度氨氮水可能成為今后比較有競爭力的一種處理方法。

1 實驗方法與內容

1.1 實驗原料

本實驗所采用的吸附材料為0.425 mm (40目)篩下天然沸石。

1.2 主要試劑與儀器

試劑：氯化銨，氯化鈉，酒石酸鉀鈉，碘化汞，碘化鉀，均為分析純。

儀器：WFJ-7200型可見光分光光度計(龍尼柯儀器有限公司)，SHA-C型水浴恒溫振蕩器(金壇市榮華儀器制造有限公司)，六聯恒溫攪拌器(常州朗越儀器制造有限公司)，PHS-25型雷磁pH計(上海儀電科學儀器股份有限公司)，101A-3型電熱鼓風干燥箱(上海市實驗儀器總廠)，JJ100B型電子分析天平(常熟市雙杰測試儀器廠)。

1.3 實驗內容

1.3.1 氨氮含量的測定

采用納氏試劑分光光度法(HJ 535-2009)。

1.3.2 改性沸石處理氨氮廢水單因素實驗

分別取100 mL濃度為50 mg/L的模擬氨氮水，分別考察溶液pH值、NaCl改性吸附劑投加量、反應時間、反應溫度、初始氨氮濃度等因素，攪拌60 min，過濾后測其氨氮含量。

2 實驗結果與討論

2.1 溶液pH值對處理效果的影響

分別取100 mL濃度為50mg/L的模擬氨氮水，依次將pH值調成3、4、5、6、7、8、9，并各加入0.5 g NaCl改性吸附劑，攪拌60 min，過濾后測其氨氮含量。NaCl改性沸石對模擬氨氮水的吸附效果隨溶液pH值變化關系如圖1所示。

圖1 不同pH值下改性沸石對模擬 氨氮水的氨氮去除效果的影響

2.2 吸附劑投加量對處理效果的影響

分別取100 mL濃度為50 mg/L的模擬氨氮水，依次投加NaCl改性吸附劑1、2、3、4、5、6、8、9、10 g/L，調節溶液pH值為6，攪拌60 min后過濾。NaCl改性沸石的投加量對模擬氨氮水的氨氮去除效果如圖2所示。

圖2 改性沸石的投加量對模擬 氨氮水的氨氮去除效果的影響

從上圖2可以看出，隨著改性吸附劑投加量的增加，氨氮的去除率也隨著增加，并且在從1 g/L增加至3 g/L時，氨氮去除率迅速增加，而在3 g/L至5 g/L時，增加緩慢，在投加量為5 g/L時達到82.5%，而在5 g/L之后略有增加但又更為緩慢。

2.3 反應時間對處理效果的影響

分別取100 mL濃度為50 mg/L的模擬氨氮水，依次加入0.5 g的NaCl改性吸附劑，調節溶液pH值為6，分別攪拌15、30、60、90、120、150、180 min后過濾。反應時間對NaCl改性沸石吸附處理模擬氨氮水的氨氮去除影響如圖3。由圖3可得，在pH值等于6，模擬氨氮水初始濃度為50 mg/L，改性吸附劑投加0.5 g的條件下，當吸附時間從15 min到90 min時，吸附速率較快，氨氮去除率從50.4 %增加到86.8 %左右。隨著反應的進一步進行，吸附趨于穩定，改性吸附劑對模擬氨氮水的吸附率已無明顯影響，因此在后續實驗中，改性吸附劑對模擬氨氮水的最佳反應時間為90 min。

圖3 反應時間對模擬氨氮水 的氨氮去除效果的影響

2.4 反應溫度對處理效果的影響

分別取100 mL濃度為50 mg/L的模擬氨氮水，依次加入0.5 g的NaCl改性吸附劑，調節溶液pH值為6，分別在30℃、40℃、50℃、60℃、70℃溫度下下振蕩90min后過濾。反應溫度對吸附處理效果的影響如圖4所示。由圖4可得，在pH值等于6，模擬氨氮水初始濃度為50 mg/L，反應時間為90 min，改性吸附劑投加量為0.5 g的條件下，改變反應的溫度，對吸附效果影響較大，隨著反應溫度的增加，氨氮去除率從84.7%下降到74.6%左右。由此可知，改性反應的溫度，會影響最終的吸附平衡。因此后續實驗中采用30℃下進行。

圖4 反應溫度對模擬氨氮水 的氨氮去除效果的影響

2.5 初始氨氮濃度對處理效果的影響

圖5 氨氮初始濃度對模擬氨氮水的氨氮去除效果的影響

取100mL濃度分別為10，30，50，70，100，150，200 mg/L的模擬氨氮水，依次加入0.5 g的NaCl改性吸附劑，調節溶液pH值為6，攪拌90 min后過濾。氨氮水初始濃度對吸附處理效果的影響如圖5所示。

由圖5可得，在pH值等于6，改性吸附劑投加0.5 g，30℃下反應90 min，模擬氨氮水的氨氮去除率隨著氨氮初始濃度的升高而下降。綜合考慮去除率及處理后的氨氮濃度要求，選用30 mg/L的氨氮水作為反應的初始濃度。

2.6 吸附等溫線分析

圖6 Langmuir吸附等溫線

在一定溫度下，吸附質的平衡濃度與吸附劑對吸附質的吸附量之間的關系曲線可以用吸附等溫線模型來表示，較為常用的吸附等溫式有郎格繆爾(Langmuir)等溫式、費羅因德利希(Freundlich)等溫式等。NaCl改性沸石吸附劑吸附不同初始氨氮達平衡后其相應的Langmuir和Freundlich等溫線相關吸附等溫線參數擬合見表1。在30℃下，NaCl改性沸石吸附劑吸附不同初始氨氮達平衡后其相應的Langmuir和Freundlich等溫線如圖6、7所示，相關吸附等溫線參數擬合見表1。

圖7 Freundich吸附等溫線 表1 NaCl改性沸石吸附氨氮的吸附等溫線擬合結果

Langmuir擬合Freundich擬合qm/(mg/g)b/(L/mg)R2KnR214.730.1520.99733.022.740.8438

從圖6、圖7和表1中可以看出，NaCl改性沸石吸附劑吸附氨氮的Langmuir吸附等溫線的線性相關系數要高于Freundlich吸附等溫線相關系數。因此，NaCl改性沸石吸附劑吸附氨氮更符合Langmuir等溫吸附模型，即其對氨氮的吸附屬于單分子層吸附。

2.7 吸附等溫線分析

靜態吸附容量是描述和預測改性沸石的吸附性能的重要指標，因此可以根據改性沸石吸附前后樣品濃度的變化，選用準一級動力學模型和準二級動力學模型來進一步分析NaCl改性沸石吸附劑的吸附機理，研究吸附過程的控制機理和確定達到平衡的最短時間。

圖8 一級動力學圖9 二級動力學 表2 NaCl改性沸石吸附氨氮的動力學擬合結果

由圖7及表2可以看出，準二級動力學方程對NaCl改性沸石吸附氨氮的過程擬合相關系數較一級動力學的高，并且計算得到的理論值吸附量更接近試驗的，故NaCl改性沸石吸附氨氮的過程符合準二級動力學方程。

3 結論

NaCl改性沸石對模擬氨氮水的吸附反應最佳條件為：室溫下，初始模擬氨氮水濃度為30 mg/L時，溶液pH值為6，吸附劑投加量5 g/L，反應時間90 min，氨氮去除率達90.7%，吸附劑的吸附容量為8.97 mg/g。

NaCl改性沸石對模擬氨氮水的吸附等溫線學表明，NaCl改性沸石對模擬氨氮水的吸附更符合Langmuir等溫吸附模型，即其對氨氮的吸附屬于單分子層吸附。其相關系數為0.9973。

NaCl改性沸石對模擬氨氮水的吸附動力學表明，NaCl改性沸石對模擬氨氮水的吸附符合準二級動力學模型，其相關系數為0.9988。

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