蜂窩煤渣對磷吸附特性探討

吳秋仙,劉學(xué)偉

(1. 鹽城市亭湖區(qū)水產(chǎn)技術(shù)推廣站，江蘇 鹽城 224001；2. 江蘇長壽集團(tuán)南山飼料有限公司，江蘇 鹽城 224001)

隨著我國城市經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展，環(huán)境污染問題日益突出。各類污水及地表徑流的流入，造成許多城市河流、湖泊等景觀水體氮磷濃度嚴(yán)重超標(biāo)，富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重。眾多研究表明，我國水體富營養(yǎng)化的原因是由于氮磷兩種營養(yǎng)鹽含量超標(biāo)，但多數(shù)富營養(yǎng)化水體中的控制因素為磷[1]， 一般認(rèn)為當(dāng)水體中總磷濃度大于0.02mg/L時(shí)，對水體富營養(yǎng)化起明顯的促進(jìn)作用[2]。因此，有效去除水體中的磷污染物，已成為防治水體富營養(yǎng)化的主要途徑。富營養(yǎng)化引起的赤潮對海洋漁業(yè)及海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)危害極大[3]。因此，開發(fā)出適合于中國國情及當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的控磷、除磷技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。目前，常用的除磷方法主要有化學(xué)法、生物法和吸附與離子交換法等[4]， 其中吸附除磷技術(shù)因其操作簡單、處理成本低、效果好等優(yōu)點(diǎn)而受到人們重視。

蜂窩煤渣是日常生活廢棄物，而且含有Ca、Al、Fe、Mg等多種活性成分，微孔多、比表面積大、吸附能力強(qiáng)，可作為除磷吸附劑。該文研究了其在不同吸附時(shí)間、水體pH值、蜂窩煤渣用量和磷初始濃度等條件下，對水體中磷的吸附規(guī)律，考察了蜂窩煤渣對水體中磷素的選擇性吸附特征，探討蜂窩煤渣用作除磷吸附劑的可行性，為蜂窩煤渣用于污水除磷工藝奠定基礎(chǔ) 。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

含磷100 mg/L的磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液(使用時(shí)再稀釋10倍、20倍)，硫酸鉬酸銨銻貯備液，磷酸鹽顯色劑(不穩(wěn)定，現(xiàn)用現(xiàn)配)。

蜂窩煤球取自餐館，50個(gè)，粉碎后，用80目的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩過篩后，置于試劑瓶中，干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法采用靜態(tài)吸附法[5]：將備用的煤渣放入不同pH值、用量、濃度及不同時(shí)間條件下的水樣中，振蕩至吸附平衡，離心取上清液。采用的鉬藍(lán)法測定磷[6]：取待測溶液10.0 mL于25 mL比色管中，用蒸餾水稀釋至25 mL刻度，再加入1.0 mL磷酸鹽顯色劑，靜置30 min后，用分光光度法測定吸光度，波長為720 nm，用標(biāo)準(zhǔn)曲線法確定磷的含量。

1.2.1 磷的標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 取6支25 mL比色管，依次加入10 mg/L磷溶液，用蒸餾水稀釋濃度至2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mg/L，以不加磷溶液為對照，再加入1.0 mL磷酸鹽指示劑，靜置30 min后，用分光光度法測定吸光度，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.2 吸附時(shí)間對吸附性能的影響 取7個(gè)250 mL的錐形瓶，分別加入5 mg/L的磷標(biāo)準(zhǔn)溶液100 mL，各加入蜂窩煤渣(吸附劑)1.00 g，以不加蜂窩煤渣為對照。將錐形瓶放于振蕩器，分別振蕩10、20、30、60、90、120 min，溫度控制在(25±1) ℃，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，離心3 min。取上清液，測定磷的含量，做3個(gè)平行。由標(biāo)準(zhǔn)曲線確定上清液中磷的濃度，計(jì)算蜂窩煤渣對磷的吸附量與去除率：

Q=(C0-C)V/m；去除率(%)

=100×(CO-C)/C0

式中：Q——吸附量(mg/g)；

V——被處理溶液體積(mL)；

m——吸附劑蜂窩煤渣的干重(g)；

C0——吸附前磷的濃度(mg/L)；

C——吸附后磷的濃度(mg/L)。

1.2.3 pH值對吸附性能的影響 取11個(gè)250 mL錐形瓶，分別加入5 mg/L的磷標(biāo)準(zhǔn)溶液100 mL，滴加HCl(0.1 mol/L)或NaOH(0.1 mol/L)，將溶液的pH值分別調(diào)至3.06、3.83、4.65、5.62、6.10、6.35、6.68、7.28、7.85、8.71、9.30，分別加入蜂窩煤渣1.00 g，以不加蜂窩煤渣為對照。振蕩90 min，溫度控制在(25±1) ℃，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，離心3 min。取上清液，測定磷的含量，做3個(gè)平行。按照1.2.2中公式，比較不同pH值條件下吸附磷的效果。

1.2.4 蜂窩煤渣用量對吸附性能的影響 取7個(gè)250 mL錐形瓶，分別加入5 mg/L的磷標(biāo)準(zhǔn)溶液100 mL，再分別加入0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 g蜂窩煤渣，以不加蜂窩煤渣為對照。振蕩90 min，溫度控制在(25±1) ℃，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，離心3 min。取上清液，測定磷的含量，做3個(gè)平行。按照1.2.2中公式，比較不同用量條件下吸附磷的效果。

1.2.5 磷的初始濃度對吸附性能的影響 取12個(gè)250 mL錐形瓶，5 mg/L的磷標(biāo)準(zhǔn)溶液加蒸餾水定容至100 mL，濃度分別為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 mg/L，分別加蜂窩煤渣1.0 g，以不加蜂窩煤渣為對照。振蕩90 min，溫度控制在(25±1) ℃，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，離心3 min。取上清液，測定磷的含量，做3個(gè)平行。按照1.2.2中公式，比較磷不同濃度條件下吸附磷的效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

以濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖1)，吸光度(A)與濃度(C)的關(guān)系：A=0.207 2C，R2=0.995 1，表明線性關(guān)系良好。

圖1 磷的標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 吸附時(shí)間對吸附性能的影響

在吸附的初始階段(10～30 min)，磷的去除率隨吸附時(shí)間增加而顯著上升(圖2)。

圖2 吸附時(shí)間對蜂窩煤渣去除率的影響

吸附過程本身是平衡的過程，達(dá)到平衡的時(shí)間即最佳時(shí)間，當(dāng)吸附時(shí)間為30 min時(shí)，去除率已達(dá)到80%以上，吸附時(shí)間為60 min后，去除率基本穩(wěn)定，可達(dá)92%以上，說明磷的最佳吸附時(shí)間為60 min， 對照組對磷無去除率。為了使其充分反應(yīng)，本文選擇的時(shí)間為90 min。

2.3 pH值對吸附性能的影響

以蜂窩煤渣作為吸附劑處理磷溶液時(shí)，pH值對溶液中磷的去除率有一定影響，但不是很明顯(圖3)。pH值在6～7之間蜂窩煤渣對磷的去除率略高，但差異不大，都在90%以上。

圖3 pH值對蜂窩煤渣去除率的影響

2.4 蜂窩煤渣用量對吸附性能的影響

隨著蜂窩煤渣用量的增加，對磷的吸附量呈不斷增大趨勢。蜂窩煤渣的用量在低于0.4 g時(shí)，對溶液中磷的去除率變化不大；用量在0.4～1.0 g時(shí)，去除率顯著上升；用量在1 g左右時(shí)，去除率可達(dá)90%以上(圖4)；對照組對磷無去除率。本文選擇的蜂窩煤渣用量為1.0 g。

圖4 蜂窩煤渣用量對蜂窩煤渣去除率的影響

2.5 磷的初始濃度對吸附性能的影響

改變?nèi)芤褐辛椎某跏紳舛龋涓C煤渣吸附率也有變化，當(dāng)磷的初始濃度低于4 mg/L時(shí)，隨濃度的增加，去除率急劇升高。當(dāng)磷的初始濃度高于4 mg/L時(shí)，溶液中磷的去除率變化不大，都在90%以上，因?yàn)槲绞且粋€(gè)平衡過程。圖5說明磷的初始濃度在4 mg/L時(shí)，吸附已充分，本文選擇的磷的初始濃度在4 mg/L。

圖5 磷的初始濃度對蜂窩煤渣去除率的影響

3 討 論

吸附法作為一種從低濃度溶液中去除特定溶質(zhì)的高效低耗方法，特別適用于廢水中有害物質(zhì)的去除。影響吸附的因素是多方面的，吸附劑結(jié)構(gòu)、吸附劑性質(zhì)、吸附過程的操作條件等，均影響吸附效果。選擇合適的吸附劑，控制最佳的操作條件十分重要。

蜂窩煤渣來源豐富，成本較低，表面積較大，無毒，吸附性能較好。于廣超等人[7]利用蜂窩煤渣、粉煤灰、沙壤土、山里蘭石對養(yǎng)殖用水中磷的去除率進(jìn)行研究，結(jié)果表明蜂窩煤渣對磷的去除率最大，是生產(chǎn)用水中較好的磷吸附劑材料。

一般來說，蜂窩煤渣用量越多，磷的去除率就越高，凈化效果就越好，但用量達(dá)到一定值時(shí)，去除效果上升不明顯，可能由于用量過多，某些組分溶解導(dǎo)致吸附達(dá)到飽和狀態(tài)，本文選擇的蜂窩煤渣用量為1.0 g/100 mL。

蜂窩煤渣吸附磷顯示出“快速吸附，緩慢平衡”的特點(diǎn)。在吸附作用的初始階段，去除率隨時(shí)間推移顯著上升，此后逐漸趨于平緩，60 min左右可以基本達(dá)到平衡。

pH值對溶液中磷的去除率有一定影響，但差異不大，都在90%以上。

磷的濃度增高對吸附過程產(chǎn)生促進(jìn)作用，當(dāng)濃度達(dá)到4 mg/L，吸附趨于平衡。

綜合考慮蜂窩煤渣吸附磷酸根的多種影響因素，并結(jié)合最小蜂窩煤渣濃度，污水排放標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用蜂窩煤渣的物理化學(xué)吸附性質(zhì)可處理廢水[8]。從各方面來講，采用蜂窩煤渣為吸附劑除去污水中磷污染物，可達(dá)到很好的效果。徐建宇等人[9]通過對模擬養(yǎng)殖用水動(dòng)力學(xué)和等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蜂窩煤渣具有較好的吸附除磷能力，可應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖用水。通過眾多學(xué)者的實(shí)驗(yàn)研究及推廣應(yīng)用，蜂窩煤渣可作為養(yǎng)殖用水中較好的磷吸附劑，而且蜂窩煤渣中含有生石灰，可以在一定程度上調(diào)節(jié)水中的pH值，改善水質(zhì)。