硫酸改性沸石吸附去除水中硝酸鹽的特性研究

程 婷

(太原工業(yè)學(xué)院，山西太原，030008)

1 緒論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)及消費(fèi)水平的提高和工農(nóng)業(yè)的快速崛起，地下水中硝酸鹽的污染問(wèn)題已經(jīng)在我國(guó)各個(gè)地區(qū)廣泛存在，必須加以重視。二十世紀(jì)末，在對(duì)我國(guó)的水質(zhì)資源調(diào)查結(jié)果顯示中，絕大部分城市地區(qū)的地下水水質(zhì)正處于下滑趨勢(shì)且惡化現(xiàn)象嚴(yán)重，其中最為突顯的問(wèn)題是硝酸鹽為主要污染成分之一的“三氮”(NO3--N、NO2--N、氨氮)污染局面[1]。沸石是一種含水的堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸礦物,可以用作吸附劑、催化劑和離子交換劑[2-3]。但天然沸石的孔隙率并不高，所以其吸附效率很是一般。為了提高其吸附效率，通過(guò)改性的方法，提高其吸附效率[4]。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 沸石的預(yù)處理

將天然沸石用去離子水清洗至上清液澄清，過(guò)濾，烘干，備用。

2.2 硫酸改性沸石制備

在錐形瓶中加入一定體積的硫酸，然后加入一定量的經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的沸石，用恒溫振蕩器振蕩，進(jìn)行改性，改性后過(guò)濾出沸石，用去離子水清洗沸石2—3次至中性，烘干備用[5-6]。

2.3 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

稱(chēng)取一定量經(jīng)過(guò)上述改性的沸石于錐形瓶中，加入一定體積的硝酸鹽溶液，在室溫下振蕩一定時(shí)間，靜止，過(guò)濾，測(cè)定，計(jì)算硝酸鹽的去除率。

3 結(jié)果與討論

3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

本實(shí)驗(yàn)采用酚二磺酸分光光度法 (GB 7480-87)，對(duì)水中所含有的硝酸鹽離子進(jìn)行檢測(cè)，得出標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1所示[7]。

圖1 硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

3.2 沸石改性實(shí)驗(yàn)

3.2.1 硫酸濃度對(duì)改性沸石的影響

硫酸濃度為1%、3%、6%、12%、18%時(shí)對(duì)沸石改性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 硫酸濃度改性沸石對(duì)硝酸鹽去除率的影響

由圖2分析得出，硫酸濃度1%時(shí)改性后的沸石對(duì)硝酸鹽廢水的去除率為57.46%，且會(huì)隨著濃度的升高而增大，當(dāng)硫酸濃度為3%時(shí)，改性沸石對(duì)硝酸鹽的去除率達(dá)到最高為63.17%，當(dāng)硫酸濃度超過(guò)3%時(shí)，改性沸石對(duì)硝酸鹽的去除率會(huì)呈下降趨勢(shì)，濃度為18%時(shí)降至47.60%。這可能是因?yàn)榱蛩釢舛冗^(guò)高或過(guò)低都不利于沸石的改性，硫酸濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)將沸石內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)破壞，改性后沸石吸附性能也隨之受到影響，從而造成對(duì)硝酸鹽廢水的去除率降低，但當(dāng)硫酸濃度過(guò)低時(shí)，對(duì)沸石改性不完全，去除率低。因此當(dāng)硫酸濃度為3%時(shí)對(duì)硝酸鹽的去除率最高，為最佳的硫酸改性濃度。

3.2.2 改性時(shí)間對(duì)改性沸石的影響

硫酸濃度為3%，設(shè)置振蕩時(shí)間為30min、60min、90min、120min、150min，制備沸石對(duì)硝酸鹽去除效果的影響。如圖3所示。

圖3 改性時(shí)間對(duì)硝酸鹽去除率的影響

由圖3分析可得，硫酸改性時(shí)間在30min—120min這一時(shí)間段的效果逐漸緩慢上升至最高對(duì)硝酸鹽廢水的去除率為65.25%，當(dāng)時(shí)間為150min時(shí)，對(duì)硝酸鹽廢水的去除效率會(huì)下降為61.87%，相較于120min改性沸石的效果會(huì)降低約3.5%，因此，可推測(cè)，濃硫酸在一定程度上會(huì)對(duì)沸石起到促進(jìn)作用，而且它還能將沸石內(nèi)部結(jié)構(gòu)雜質(zhì)溶解，雜質(zhì)去除后會(huì)使沸石的孔道暢通，且孔隙率會(huì)增大，從而增強(qiáng)沸石的吸附性能，但如果改性時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也不利于其吸附效果，超過(guò)120min時(shí)，反而超出了沸石所能承受的范圍導(dǎo)致沸石的吸附性能降低，改性時(shí)間越大越不利于改性，因此最佳改性時(shí)間為20min[8-10]。

3.2.3 改性溫度對(duì)改性沸石的影響

硫酸最佳改性溫度的研究設(shè)置不同的振蕩溫度為：30℃、40℃、50℃、60℃、80℃，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討硫酸最佳改性溫度，不同溫度改性沸石對(duì)硝酸鹽的去除效果如圖4所示。

圖4 改性溫度對(duì)硝酸鹽去除率的影響

由圖4分析可得出：改性溫度在30℃時(shí)，對(duì)硝酸鹽的去除率為61.13%，隨著溫度的升高，改性沸石對(duì)硝酸鹽的去除率也升高。當(dāng)溫度為60℃時(shí)對(duì)硝酸鹽的去除率最高為68.62%，當(dāng)溫度超過(guò)60℃時(shí)，改性沸石對(duì)硝酸鹽的去除率出現(xiàn)下降，下降至65.51%。這可能是由于溫度升高硫酸溶液的酸性也會(huì)隨之增加，當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí)，較強(qiáng)的酸性會(huì)破壞沸石內(nèi)部結(jié)構(gòu)從而會(huì)影響沸石的吸附性能，對(duì)硝酸鹽的去除率也會(huì)下降，因此可得出結(jié)論：在沸石60℃下進(jìn)行改性會(huì)有較好的吸附效果，且去除效率最高。

3.3 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

3.3.1 吸附劑投加量對(duì)吸附效果的影響

設(shè)置0.4g，0.6g，0.8g，1.0g，1.2g的投加量對(duì)于去除硝酸鹽的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 吸附劑投加量對(duì)硝酸鹽廢水去除率的影響

由圖5可以得知，投加不同質(zhì)量的改性沸石后硝酸鹽廢水去除率不同，設(shè)置投加量為0.2g時(shí)，硝酸鹽去除率51.55 %，不斷增大投加量，去除率逐漸上升，當(dāng)投加量為1.0g時(shí)，去除率最高為72.28%。投加量大于1.0g后，去除率趨于平緩。可以看出投加量越大，對(duì)硝酸鹽的去除率愈好，投加量增加后，顆粒增多，吸附活性變高，吸附點(diǎn)位數(shù)隨之增多，對(duì)硝酸鹽的去除率也會(huì)呈正相關(guān)，但是當(dāng)投加量超過(guò)一定值時(shí)，此硝酸鹽溶液會(huì)達(dá)到飽和，去除率會(huì)穩(wěn)定在72%左右。為方便實(shí)驗(yàn)操作故而選取1g。

3.3.2 吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

設(shè)置不同吸附時(shí)間，分別為30min、60min、90min、120min、150min，對(duì)硝酸鹽廢水的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 吸附時(shí)間對(duì)硝酸鹽廢水去除率的影響

由圖6分析出，設(shè)置吸附時(shí)間為30min時(shí)對(duì)硝酸鹽的去除率為68.47%，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，去除硝酸鹽的效果也會(huì)相應(yīng)變好，當(dāng)達(dá)到120min時(shí)，硝酸鹽去除率達(dá)到最高為76.43%，但當(dāng)120min后去除率會(huì)略有下降，降至75.86%。推測(cè)為吸附時(shí)間短時(shí)，廢水與改性沸石的比表面積接觸不完全，吸附不徹底，導(dǎo)致去除率不高，如果時(shí)間充分，改性沸石的活性會(huì)被充分利用，能夠最大程度吸附硝酸鹽，去除率達(dá)到最高，但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，反而會(huì)超過(guò)改性沸石的吸附能力，從而影響吸附效果。故采取120min作為最佳吸附時(shí)間。

3.3.3 吸附溫度對(duì)吸附效果的影響

設(shè)置溫度為25℃、35℃、45℃、55℃、65℃對(duì)去除硝酸鹽的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 吸附溫度對(duì)硝酸鹽廢水去除率的影響

由圖7分析可得，溫度設(shè)為25℃時(shí)，硝酸鹽廢水的去除率是76.50%，當(dāng)溫度升高后，吸附硝酸鹽的效果也隨之變好，當(dāng)溫度為55℃時(shí)，吸附硝酸鹽達(dá)到一個(gè)至高點(diǎn)，它的去除率為80.13%，但溫度持續(xù)增高去除率下降為79.58%。推測(cè)為酸改性沸石吸附去除水中硝酸鹽為放熱反應(yīng)，溫度升高有助于酸改性沸石吸附硝酸鹽，廢水中的硝酸鹽分子會(huì)劇烈運(yùn)動(dòng)，它們與酸改性沸石的碰撞運(yùn)動(dòng)也會(huì)更加激烈，而當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，此吸附過(guò)程達(dá)到平衡，去除率也會(huì)略微下降。故而實(shí)驗(yàn)采取55℃為最佳吸附溫度[1]。

3.3.4 吸附pH值對(duì)吸附效果的影響

設(shè)置不同pH值分別為2，4，6，8，10對(duì)去除硝酸鹽的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 吸附pH值對(duì)硝酸鹽廢水去除率的影響

由圖8分析得出，當(dāng)pH值=2時(shí)，去除率為56.47%，當(dāng)增大pH值時(shí)，去除率增大，當(dāng)pH值=6時(shí)，酸改性沸石對(duì)硝酸鹽的去除率為84.16%，此時(shí)吸附效果最好，但當(dāng)pH值>6時(shí)，改性沸石對(duì)硝酸鹽的去除率呈下降趨勢(shì)，下降至48.62%。推測(cè)為當(dāng)pH值低時(shí)，酸改性沸石表面會(huì)帶有正電荷，而水中的硝酸鹽以陽(yáng)離子形式存在，由于同種電荷相斥，使得吸附效果不好，同時(shí)在強(qiáng)酸性溶液中硫酸會(huì)發(fā)生降解從而導(dǎo)致硫酸的部分流失，使得去除效果下降，隨著 pH值的上升，硫酸改性沸石表面負(fù)電荷增加，由于異種電荷相吸，使得去除率上升，而當(dāng) pH值大于6時(shí)，溶液中的 OH- 濃度的增加，使得硫酸質(zhì)子化受阻，靜電作用力減弱，從而降低對(duì)硝酸鹽的吸附性能，因而去除率下降。故而實(shí)驗(yàn)采取6為最佳吸附pH值。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)天然沸石進(jìn)行硫酸改性，通過(guò)靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)對(duì)改性沸石吸附水中硝酸鹽的制備條件進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

(1)最佳硫酸改性沸石條件：用濃硫酸改性沸石濃度為3%，改性時(shí)間120min，改性溫度為60℃，在此條件下改性沸石對(duì)硝酸鹽廢水的去除率最高為68.62%。

(2)最佳吸附硝酸鹽廢水條件：吸附廢水吸附劑投加量1.0g，吸附時(shí)間為120min，吸附溫度為55℃，吸附pH值為6，吸附硝酸鹽去除率最高為84.16%。