硫酸鐵改性珍珠巖微粉的磷吸附特性

付登強，楊偉波，劉小玉，余鳳玉

(中國熱帶農業科學院 椰子研究所，海南 文昌 571339)

珍珠巖微粉是膨脹珍珠巖生產過程中產生的一種超細白色粉末，是制備膨脹珍珠巖顆粒的副產物，具有無毒、無味、不燃燒、耐酸堿的特點。急速高溫膨脹賦予了珍珠巖微粉大量微孔和巨大的比表面積，通過表面改性開辟新的用途一直是珍珠巖材料研究的重要方向[1-5]。高磷污水的處理一般要先經過化學沉淀，硫酸鐵是常用的低成本除磷劑之一，但當投加硫酸鐵過量時，會造成出水含鐵離子而水色發黃，其溶液對設備和管道的腐蝕性也較強。利用熱處理技術將硫酸鐵固載于珍珠巖微粉表面可制備一種廉價的新型除磷劑，其磷吸附特性決定其在高磷污水處理中的應用前景。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

供試膨脹珍珠巖微粉(微粉)、改性膨脹珍珠巖微粉(改性微粉)樣品均由海南藍箭輕型建材貿易有限公司提供；供試污水，采自文昌市某污水處理廠(污水樣品經慢速濾紙過濾后備用，鉬銻抗比色法測定其含磷量為(0.22±0.02)mg/L，pH值為7.2±0.1，電導率為(367±11)μs/cm)。

梅特勒-托利多FE20 pH計；精科752N紫外可見光分光光度計；賽福BHWY-1102C變頻搖床。

1.2 實驗方法

1.2.1 吸附時間對磷吸附量的影響 稱取0.50 g改性微粉樣品于50 mL離心管中，加入20 mL磷濃度為100 mg/L的磷酸二氫鉀溶液，加甲苯2滴防止微生物生長，在25 ℃恒溫室中分別振蕩10 min和24 h，用慢速濾紙過濾，鉬銻抗比色法測定濾液磷濃度，重復1次。

1.2.2 溶液pH值對磷吸附量的影響 稱取0.50 g改性微粉樣品7份于帶刻度的50 mL離心管中，分別加入10 mL磷濃度為200 mg/L的磷酸二氫鉀溶液和5 mL蒸餾水，用稀氫氧化鈉溶液或稀鹽酸調節溶液pH值到3.0，4.0，5.0，6.0，8.0，10.0，12.0后用蒸餾水定容到20 mL，加甲苯2滴防止微生物生長，在25 ℃恒溫室中振蕩24 h，用慢速濾紙過濾，鉬銻抗比色法測定濾液磷濃度，重復1次。

1.2.3 微粉添加量對磷吸附的影響 分別稱取0.10，0.20，0.40，0.60，0.80，1.00 g改性微粉樣品于50 mL離心管中，分別加入20 mL磷濃度為100 mg/L的磷酸二氫鉀溶液，加甲苯2滴防止微生物生長，在25 ℃恒溫室中振蕩24 h，用慢速濾紙過濾，鉬銻抗比色法測定濾液磷濃度，重復1次。

1.2.4 磷吸附與解吸等溫線測定 分別稱取0.50 g微粉和改性微粉樣品于50 mL離心管中，分別加入20 mL磷濃度為0，5，10，20，40，60，80，100 mg/L的磷酸二氫鉀溶液，加甲苯2滴防止微生物生長，在25 ℃恒溫室中振蕩24 h，用慢速濾紙過濾，收集濾液用鉬銻抗比色法測定磷濃度。然后，用10 mL蒸餾水清洗離心管并用于淋洗濾紙上的樣品，再用20 mL蒸餾水分2次淋洗樣品和濾紙，80 ℃烘干后將樣品再次轉入50 mL離心管中，加入20 mL蒸餾水，加甲苯2滴防止微生物生長，在25 ℃恒溫室中振蕩24 h，用慢速濾紙過濾，收集濾液用鉬銻抗比色法測定磷濃度。重復1次。

1.2.5 改性微粉去除模擬高磷污水中的磷 通過添加磷酸二氫鉀調節污水樣品的磷濃度為0.2，50.0，100.0，200.0 mg/L，加入25 g/L改性微粉和適量甲苯，在25 ℃恒溫室中振蕩24 h，用慢速濾紙過濾，鉬銻抗比色法測定濾液磷濃度，重復1次。

2 結果與討論

2.1 吸附時間對吸附量的影響

振蕩吸附10 min和24 h后，平衡液的磷濃度分別為(6.49±0.17)mg/L和(6.30±0.14)mg/L，溶液磷去除率分別為93.51%和93.70%，改性微粉磷吸附量分別為(3.740±0.007)mg/g和(3.748±0.006)mg/g，振蕩吸附10 min比24 h的磷吸附量略少，但差異不顯著。

2.2 溶液pH值對磷吸附量的影響

不同pH值條件對改性微粉磷吸附的影響見圖1。

圖1 不同pH值對改性微粉磷吸附的影響Fig.1 The effects of different pH on P adsorption by modified expanded perlite powder

由圖1可知，溶液pH值顯著影響改性微粉對磷的吸附，在3～12的范圍內，隨pH值的增加，改性微粉對磷的吸附量先增加后降低，酸性條件下磷容易被改性微粉吸附。當溶液pH值為5.0時，改性微粉磷吸附量最大，為3.96 mg/g，此時溶液中的磷去除率達98.68%。

污水的pH是影響除磷效率的重要因素。本研究中，改性微粉在pH為3～6的范圍內對磷的去除率均較高，最適pH為5.0。邢偉等[6]認為硫酸鐵等鐵鹽除磷的原理是Fe3+與水形成的多核羥基絡合物能吸附大量的磷酸根，并有效地降低或消除水體中膠體的ξ電位，使膠體凝聚，再通過沉淀分離將磷去除，Fe3+除磷最適宜的pH為4.5～5。張亞勤[7]認為pH值為5.5左右時磷酸鐵的溶解度最小，是鐵鹽除磷的適宜條件。董文藝[8]研究了硫酸鐵等7種藥劑在不同pH條件下對生活污水的化學除磷效果，當pH為4.0時硫酸鐵的除磷效果最好。趙輝等[9]的研究結果則為污水初始pH為9時，硫酸鐵的除磷效率最高。由于污水成分存在差異，硫酸鐵除磷實際生成物的成分復雜，適宜的pH范圍存在差異，在具體應用中需要測試確定。

2.3 微粉添加量對磷吸附的影響

不同添加量對改性微粉磷吸附的影響見圖2。

圖2 不同添加量對改性微粉磷吸附的影響Fig.2 The effects of different pH on P adsorption by modified expanded perlite powder

由圖2可知，隨著改性微粉投加量的增加，溶液磷去除率會出現一最高值，而后稍有下降。

2.4 改性微粉的磷吸附解吸等溫線

圖3是微粉和改性微粉25 ℃條件下的磷吸附等溫線。

圖3 磷吸附等溫線Fig.3 The phosphorus adsorption isotherm

由圖3可知，微粉的吸附等溫線呈直線型，磷吸附量隨溶液磷濃度的增加緩慢提高。改性微粉的吸附等溫線與Langmuir單表面方程曲線比較吻合。微粉經過改性后的磷吸附能力顯著增加。

圖4為微粉與改性微粉的磷解吸曲線。

圖4 磷吸附解吸曲線Fig.4 The phosphorus adsorption and desorption curve

由圖4可知，隨磷吸附量的增加，微粉和改性微粉的磷解吸量均逐漸增加，微粉的平均解吸率為37.0%，改性微粉的平均解吸率為0.74%，在相同吸附量情況下，微粉的解吸量遠遠高于改性微粉的解吸量，改性微粉對磷的固定能力較強。

2.5 改性微粉去除模擬污水中的磷

改性微粉對不同磷濃度模擬污水磷去除的效果見圖5。

圖5 改性微粉去除模擬污水中的磷Fig.5 The phosphorus removal from simulated sewage by modified perlite powder

由圖5可知，當磷濃度為50 mg/L時，改性微粉磷去除率達99.29%，污水殘磷濃度為0.35 mg/L，含磷量符合國家城鎮污水處理廠污染物排放標準(GB 18918)的一級A類排放標準(≤0.5 mg/L)。

趙艷鋒等[10]利用鐵尾礦的酸浸液對硅藻土進行改性，20 min為吸附平衡時間，對于50 mL 5 mg/L的含磷廢水，改性硅藻土投加量1.2 g，磷去除率可達81.08%。鐵尾礦的酸浸液可以替代硫酸鐵進行珍珠巖微粉改性制備污水除磷劑，將有助于進一步降低生產成本。

3 結論

(1)酸性條件下，硫酸鐵熱改性珍珠巖微粉的吸附能力較強，pH值為5.0時吸附量(3.96 mg/g)最大。

(2)硫酸鐵熱改性珍珠巖微粉對溶液磷的吸附速率快，充分攪拌10 min即可完成吸附。

(3)模擬污水磷濃度為50 mg/L時，添加25 g/L 改性微粉的磷去除率達99.3%，污水殘磷濃度為0.35 mg/L，含磷量符合國家城鎮污水處理廠污染物排放標準(GB 18918)的一級A類排放標準(≤0.5 mg/L)。

(4)硫酸鐵熱改性珍珠巖微粉在酸性、高磷廢水的快速除磷處理中具有一定的應用潛力。