MnO2脫除廢水中磷的試驗(yàn)研究

胡家園，黃 超，范澤坤，徐國(guó)鉆，呂世杰,賀山明，梁 勇

(1.江西理工大學(xué) 冶金工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.崇義章源鎢業(yè)股份有限公司，江西 贛州 341300)

仲鎢酸銨(APT)的生產(chǎn)主要采用堿壓煮—離子交換工藝。由于鎢礦中常伴生磷，當(dāng)采用氫氧化鈉分解鎢礦時(shí)，礦石中的磷隨同鎢一起進(jìn)入鎢酸鈉溶液，經(jīng)離子交換樹(shù)脂分離鎢后最終進(jìn)入鎢冶煉廢水，廢水中磷質(zhì)量濃度為8～15 mg/L，遠(yuǎn)高于國(guó)家工業(yè)廢水磷排放標(biāo)準(zhǔn)(低于0.5 mg/L)[1],因此，需要在廢水排放之前除磷。

目前，從鎢冶煉廢水中除磷主要采用化學(xué)沉淀法，通常加入鈣鹽使磷形成溶度積較小的磷酸鈣沉淀。化學(xué)沉淀法試劑消耗較多，同時(shí)可能在廢水中引入新雜質(zhì)。二氧化錳是一種常見(jiàn)的金屬氧化物，具有比表面積大、活性吸附點(diǎn)多且表面含有大量羥基官能團(tuán)的特點(diǎn)[2]，不僅能吸附一些金屬離子(如Cu2+、Pb2+、U6+等)[3-4]，也對(duì)一些酸根陰離子具有吸附作用[5]，如可去除水中的砷酸根[6-7]。磷和砷同屬氮族元素，兩者之間具有一定共性。錳類(lèi)化合物對(duì)水體中的磷有一定吸附性[8-13]，因此，研究了用二氧化錳吸附脫除模擬廢水中的磷，并針對(duì)實(shí)際鎢冶煉廢水進(jìn)行脫磷。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用含磷廢水分為模擬廢水和實(shí)際鎢冶煉廢水，其中：模擬廢水以市購(gòu)分析純十二水磷酸鈉(Na3PO4·12H2O)溶于水配制而成，磷質(zhì)量濃度21.20 mg/L；實(shí)際鎢冶煉廢水由贛南某鎢冶煉企業(yè)提供，磷質(zhì)量濃度9.04 mg/L。試驗(yàn)所用二氧化錳及其他試劑均為分析純。

1.2 分析方法

采用pHSJ-3F型精密pH計(jì)測(cè)定溶液pH；采用UV-1100型分光光度計(jì)測(cè)定磷質(zhì)量濃度；采用DELSA440SX型Zeta電位儀分析二氧化錳表面電荷特性。

1.3 試驗(yàn)原理與方法

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向250 mL三角燒瓶中添加100 mL含磷廢水，初始磷質(zhì)量濃度為21.20 mg/L，向燒杯中加入一定量二氧化錳，置于水浴鍋中，設(shè)置一定溫度，在一定攪拌速度下反應(yīng)一定時(shí)間，反應(yīng)完成后過(guò)濾，測(cè)定濾液中磷質(zhì)量濃度，濾渣烘干。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 二氧化錳用量對(duì)除磷效果的影響

初始pH為2.5，反應(yīng)溫度30 ℃，反應(yīng)時(shí)間60 min，攪拌速度200 r/min。二氧化錳用量對(duì)除磷效果的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 二氧化錳用量對(duì)除磷效果的影響

由圖1看出：反應(yīng)后濾液中殘留磷質(zhì)量濃度隨二氧化錳用量增加而逐漸降低，二氧化錳用量為3.5 g時(shí)，濾液中殘留磷質(zhì)量濃度為0.25 mg/L(小于0.5 mg/L)；繼續(xù)增大二氧化錳用量，殘留磷質(zhì)量濃度變化不大。綜合考慮，確定適宜的二氧化錳用量為3.5 g。

2.2 溶液初始pH對(duì)除磷效果的影響

二氧化錳用量3.5 g，反應(yīng)溫度30 ℃，反應(yīng)時(shí)間60 min，攪拌速度200 r/min,溶液初始pH對(duì)除磷效果的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。可以看出，溶液初始pH越低，二氧化錳除磷效果越好，這與文獻(xiàn)[16]的結(jié)論一致。吸附效果與物質(zhì)表面電荷特性密切相關(guān)，表面電荷特性又決定其界面反應(yīng)類(lèi)型及其與離子之間相互作用力的強(qiáng)弱，因此，對(duì)固體二氧化錳粉末進(jìn)行表面電荷特性分析，得到其表面Zeta電位與pH的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖2 溶液初始pH對(duì)除磷效果的影響

圖3 二氧化錳表面Zeta電位隨溶液pH的變化規(guī)律

由圖3看出：溶液pH在1～5.9范圍內(nèi)，隨pH升高，二氧化錳的Zeta電位由+37.10 mV降至-29.80 mV，其零電荷點(diǎn)(PZC)在pH=3.4左右，這與文獻(xiàn)[15]的結(jié)論一致；pH>3.4后，二氧化錳表面結(jié)合水去質(zhì)子化，表面帶負(fù)電；pH<3.4時(shí)，二氧化錳表面結(jié)合水被質(zhì)子化，表面帶正電。磷酸根陰離子吸附量隨二氧化錳表面正電荷數(shù)增加而升高，而二氧化錳表面正電荷數(shù)隨pH下降而增加，因此，pH越低，二氧化錳的除磷效果越好。

但結(jié)合圖2看出，隨pH增大，濾液中殘留磷質(zhì)量濃度呈先升高后降低再升高的變化趨勢(shì)，pH在4左右時(shí)殘留磷質(zhì)量濃度出現(xiàn)最高點(diǎn)；溶液初始pH為2.5時(shí)，殘留磷質(zhì)量濃度為0.25 mg/L，低于0.5 mg/L排放標(biāo)準(zhǔn)。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是在二氧化錳對(duì)磷酸根離子的吸附過(guò)程中，同時(shí)存在著靜電吸附和陰離子交換吸附，即存在非特性吸附和特性吸附共同作用[17]。非特性吸附涉及庫(kù)侖力作用，特性吸附主要涉及陰離子交換或配位反應(yīng)。而在不同pH范圍內(nèi)，主導(dǎo)吸附過(guò)程的作用力也會(huì)不同，兩種作用力此消彼長(zhǎng)，共同作用，故而出現(xiàn)圖3所示的現(xiàn)象。由此表明，pH主導(dǎo)二氧化錳對(duì)磷的吸附過(guò)程。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)除磷效果的影響

二氧化錳用量3.5 g，溶液初始pH為2.5，反應(yīng)時(shí)間60 min，攪拌速度200 r/min。反應(yīng)溫度對(duì)除磷效果的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)除磷效果的影響

由圖4看出：隨溫度升高，濾液中殘留磷質(zhì)量濃度逐漸下降，除磷效果更好；溫度為20 ℃時(shí)，溶液中殘留磷質(zhì)量濃度已低至0.41 mg/L，低于0.5 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，綜合考慮，確定適宜的反應(yīng)溫度為20 ℃，即常溫下除磷即可。

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)除磷效果的影響

二氧化錳用量3.5 g，溶液初始pH為2.5，反應(yīng)溫度為20 ℃，攪拌速度為200 r/min。反應(yīng)時(shí)間對(duì)除磷效果的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)除磷效果的影響

由圖5看出：隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，濾液中殘留磷質(zhì)量濃度逐漸下降；反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)，濾液中殘留磷質(zhì)量濃度已低于0.5 mg/L，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮，確定適宜的反應(yīng)時(shí)間為30 min。

2.5 攪拌速度對(duì)除磷的影響

二氧化錳用量為3.5 g，溶液初始pH為2.5，反應(yīng)溫度20 ℃，反應(yīng)時(shí)間30 min。攪拌速度對(duì)除磷效果的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 攪拌速度對(duì)除磷效果的影響

由圖6看出，攪拌速度對(duì)二氧化錳除磷影響不大，在200～700 r/min范圍內(nèi)，濾液中殘留磷質(zhì)量濃度變化很小，且均低于0.5 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮，確定適宜攪拌速度為200 r/min。

2.6 二氧化錳對(duì)鎢冶煉廢水中磷的吸附效果

根據(jù)上述試驗(yàn)確定的較優(yōu)工藝條件，用二氧化錳對(duì)100 mL磷初始質(zhì)量濃度為9.73 mg/L的實(shí)際鎢冶煉廢水進(jìn)行除磷試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出：二氧化錳對(duì)鎢冶煉廢水中磷的去除效果較好，處理后廢水中磷質(zhì)量濃度均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

表1 二氧化錳對(duì)鎢冶煉廢水中磷的去除效果

3 結(jié)論

用二氧化錳吸附去除廢水中的磷是可行的。對(duì)于初始磷質(zhì)量濃度為21.20 mg/L的模擬溶液，及初始磷質(zhì)量濃度為9.73 mg/L的鎢冶煉廢水，除磷效果均較好。適宜條件下，處理后廢水中的磷均低于0.5 mg/L，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，方法處理成本較低。