鋼渣對水溶液中磷、砷的吸附特性

王莉紅，　高外瓊，　張艮林，　蘭堯中

(云南大學 a. 材料科學與工程學院; b. 學報編輯部, 昆明 650091)

0　引　言

水體富營養化嚴重威脅著我國各類水體，磷污染是造成水體富營養化的主要原因[1]，與此同時，砷污染也成為了國內幾大湖泊污染的的重要因素[2-3]。目前，可以商用的除磷方法主要有吸附法[4-5]、生物法[6]、土壤濕地除磷法[7-8]等，除砷方法主要有吸附法[9-11]、共沉淀法[3]、膜分離法等。吸附法是一種相對簡單和有效的除磷、除砷方法，但處理成本和吸附容量之間的矛盾一直制約著吸附材料的應用，找到一種經濟、效果較好的除磷、除砷的吸附材料，仍是值得我們較多研究[12]。

鋼渣主要由鈣、 鐵、 硅、鎂和少量鋁、錳、磷等氧化物組成，具有孔徑結構、較大的比表面積[13]，數量巨多，目前主要用于冶金工業和建筑材料，但利用率不到22%[14]。鋼渣性能穩定，價格便宜，具有較好的吸附能力，用來處理廢水，可以以廢治廢，有較好的環境效益、經濟效益和社會效益，特別適合用于經濟落后的偏遠地區。目前鋼渣作為吸附材料主要用來處理水中的重金屬及其磷，但對砷的去除，特別是對除磷除砷的對比研究報道較少，再加上各地鋼渣成分含量有所不同，吸附性能也會有所差別。本文采用云南某鋼鐵有限公司的鋼渣作為吸附材料，探討了其對模擬含磷、含砷水溶液中磷和砷的吸附性能，為今后利用鋼渣處理含磷、含砷廢水提供一定的理論參考。

1　材料與方法

1.1　實驗材料

本實驗所用鋼渣是云南某鋼鐵有限公司的轉爐鋼渣，實驗前該物料全部碎至50目。鋼渣的基本化學成分含量如表1所示(質量百分含量)。

表1　鋼渣基本化學成分

1.2　實驗方法

本實驗通過調整鋼渣用量、接觸時間、溶液pH值、溶液磷、砷初始濃度等參數，進行鋼渣對磷、砷吸附條件的優化。含磷溶液由KH2PO4(分析純)和去離子水配制，砷溶液采用As(III)標準儲備液在實驗室配置，pH用HCl、NaOH溶液調節。實驗過程是將鋼渣和含磷、砷的水溶液置于50 mL三角錐形瓶中，然后放置在恒溫振蕩器中振蕩一定時間后，測量磷和砷的殘余濃度，從而計算其去除率、吸附量等。

1.3　分析方法

本實驗采用釩鉬酸分光光度法測定磷的濃度，氫化物-原子吸收分光光度法測定砷的濃度。鋼渣對磷、砷的吸附量qe、去除率a采用下式計算：

式中：qe為吸附劑的平衡吸附量(mg/g)；C0和Ce分別為磷、砷的初始濃度和平衡濃度(mg/L)；V為水樣體積(mL)；m為吸附劑的量(g)；a為去除率(%)。

2　結果與討論

2.1　鋼渣投加量對磷、砷的去除分析

從理論上講，吸附劑的投加量越多，對污染物的去除效果就越好。但在實際應用中，會考慮經濟成本及后續的一些相關工作，因此選取一個較佳的投加量。圖1顯示，隨著鋼渣投加量的增加，磷和砷的去除率也都在增加，吸附量都在減少，但對于50 mg/L高初始濃度的磷溶液，投加量為0.75 g/100 mL時，磷的去除率便可達99%以上；對于初始濃度為10 mg/L砷溶液投加量為6 g/100 mL時，砷的去除率也可達99%以上。同時，鋼渣對砷的吸附量相對于磷的變化較小，因此，從投加量上來看，鋼渣對砷有一定的去除效果，但鋼渣對磷的去除效果要遠高于對砷的去除效果，是一種較好的除磷材料，在給定的磷和砷的初始濃度下，最佳投加量分別為0.75 g/100 mL和6 g/100 mL。

圖1　鋼渣投加量的影響

2.2　接觸時間對磷、砷的去除分析

吸附時間是材料在實際應用中考慮的重要因素之一，圖2所示為鋼渣與磷、砷接觸時間對于去除率的影響曲線圖。隨著接觸時間的增加，磷、砷的去除率都在增加，在2 h內，磷的去除率達到73%，5 h達到99%，即在給定的條件下，鋼渣對磷的吸附平衡時間是5 h；在0.5 h內，砷的去除率達到78%，6 h達到93%，之后隨著時間增加去除率變化緩慢，12 h后吸附量趨于飽和，故鋼渣對砷的吸附主要發生在0.5 h內，是一種快速吸附，緩慢平衡的過程。

2.3　溶液pH對磷、砷的去除分析

圖2　接觸時間的影響

圖3　pH的影響

2.4　溶液初始濃度對磷、砷的去除分析

溶液的初始濃度會影響吸附質向吸附劑表面的擴散能力，溶液本體濃度的增加，可以提供驅動力克服水相和固相之間的傳質阻力，增加吸附質向吸附劑表面的遷移動力，從而增加吸附劑的吸附量[18]。從圖4可以看出，隨著磷、砷的初始濃度的增加，鋼渣對磷、砷的吸附量也都在增加，砷的去除率都是先增加后減少，磷的去除率變化不是特別明顯。當磷的初始濃度大于60 mg/L時，去除率仍然高于95%，因此可以說，鋼渣對磷是易吸附的，適合比較寬的磷濃度；鋼渣對于砷的吸附，適合較低濃度，在砷濃度為2 mg/L，去除率較大。

圖4　初始濃度的影響

2.5　鋼渣對磷、砷共存的去除分析

磷和砷在元素周期表中屬于同一主族，磷酸鹽和砷酸鹽有某些共性，實驗模擬配制了不同摩爾比P/As的溶液，考察鋼渣對磷、砷的去除性能。由圖5可以看出，隨著P/As摩爾比的增大，鋼渣對磷的吸附量不斷增大，而對砷的吸附量逐漸下降。當P/As摩爾比小于5時，砷對鋼渣吸附磷有強烈的影響，即磷和砷的吸附為強競爭性吸附，當P/As摩爾比大于10時，砷的吸附量已接近于零。因此可以得出，鋼渣是一種良好的吸附除磷材料，對砷也有一定的吸附能力，鋼渣對磷和砷的吸附為競爭性吸附。

圖5　P/As摩爾比的影響

2.6　鋼渣對磷、砷的吸附動力學模型

溶質在固體表面的吸附反應動力學可用Lagergren準二級動力學模型來描述19]，線性方程表達式如下：

(3)

式中:t為吸附時間(min)；Qt為t時刻的吸附量(mg/g)；Qe為理論的平衡吸附量(mg/g)；k2為吸附速率常數g/(mg·min)。

由圖6、7和表3可知，鋼渣對磷、砷的吸附動力學數據均符合Lagergren準二級動力學方程，擬合優度的相關系數(R2)分別為0.980 4、0.999 9，均達顯著水平。鋼渣對磷、砷的吸附是十分復雜的動力學過程，吸附過程包括磷、砷向鋼渣表面的快速擴散吸附，隨后是在鋼渣內部孔隙(顆粒的內表面)的吸附[20]，具有快速吸附，緩慢平衡的特點。

圖6　鋼渣吸附磷的二級動力學模型擬合

圖7　鋼渣吸附砷的準二級動力學模型擬合

Qe/[g·(mg·min)-1]k2/(g·mg-1·min-1)R2P21．660．0340．980As0．9700．2490．999

3　結　論

(1) 鋼渣對水溶液中磷的吸附受不同條件的影響，隨著鋼渣投加量的增加，磷去除率增加，在磷的初始濃度小于50 mg/L，投加量為0.75 g/100 mL時，磷去除率可達99%以上；中性條件有利于鋼渣對磷的去除，弱酸性下，鋼渣對磷的去除仍有較好的效果；鋼渣對磷的吸附符合Langergren準二級動力學模型，吸附主要發生在2.5 h內，5 h即達到吸附平衡。

(2) 鋼渣對水溶液中砷的去除受鋼渣投加量、溶液pH、接觸時間等的影響，鋼渣投加量增加，砷去除率增加，在砷的初始濃度小于10 mg/L，投加量為6 g/100 mL時，砷去除率可達99%以上；在pH為9～11的條件下，鋼渣對砷具有較佳的吸附能力；鋼渣對砷的吸附符合Langergren準二級動力學模型，吸附主要發生在0.5 h內，12 h達到吸附平衡，具有“快速吸附、緩慢平衡”的特點。

(3) 鋼渣是一種良好的吸附除磷材料，對砷也有一定的吸附能力，磷和砷在鋼渣上吸附為競爭性吸附。

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