改性鎂鋁水滑石對(duì)污水中磷酸鹽的吸附性能研究*

黃心陽，徐繼紅，朱繼超，胡麗芳

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

污水中的磷能引起江河湖泊等水體的富營(yíng)養(yǎng)化[1-2]。現(xiàn)階段，廢水除磷方法多種多樣包括：生物法、化學(xué)沉淀、電解、物理吸附和膜技術(shù)等等[3-7]。其中，吸附法具有多次循環(huán)使用、吸附容量大、產(chǎn)生污染小、吸附速率快等優(yōu)點(diǎn)。磷酸鹽吸附應(yīng)用研究離不開吸附劑，如何開發(fā)出穩(wěn)定高效的吸附劑是當(dāng)前吸附劑研究中的一個(gè)關(guān)鍵問題。

水滑石是一種層狀雙金屬氫氧化物(Layered Double Hydroxide，LDH)，是黏土礦物中為數(shù)不多的正電性高效吸附材料。由于水滑石的陰離子具有一定的流動(dòng)性和離子交換性，以及獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)、陰離子交換和 “記憶效應(yīng)”，被廣泛用于污水處理、光電催化、耐腐蝕等領(lǐng)域[8-9]。研究表明，水滑石對(duì)磷酸根離子具有較高的吸附容量，可應(yīng)用在磷污染的去除和磷資源的回收方面[11-12]。

本文采用一定量的乙酸鈷、乙酸鎳、乙酸銅、乙酸鋅對(duì)鎂鋁水滑石進(jìn)行浸漬，浸漬后的樣品經(jīng) 300 ℃ 和 500 ℃ 焙燒得到氧化鈷、氧化鎳、氧化銅、氧化鋅負(fù)載的鎂鋁水滑石，通過XRD、FT-IR等表征探究焙燒對(duì)鎂鋁水滑石結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)的影響，并考察不同吸附劑的磷酸鹽吸附性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 改性水滑石材料的制備

本文使用的鎂鋁水滑石(HT)從邵陽天堂試劑公司購入，可直接使用。將 3.00 g 鎂鋁水滑石和一定量的乙酸鈷均勻分散于 60 mL 體積比為1∶1的醇水混合溶液中。將混合體系在 95 ℃ 下用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀攪拌蒸發(fā)，直至液體完全蒸發(fā)。將蒸干的樣品在馬弗爐中以 5 ℃/min 的升溫速度升溫至 300 ℃ 和 500 ℃，恒溫 180 min ，得到了固體吸附劑CoO-HT-300和CoO-HT-500。按照此方法依次得到NiO-HT-300、CuO-HT-300、ZnO-HT-300和NiO-HT-500、CuO-HT-500、ZnO-HT-500。

1.2 磷酸鹽吸附效果評(píng)價(jià)

1.2.1 磷酸鹽的測(cè)定

溶液的磷酸根含量的測(cè)定采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)中的鉬銻抗分光光度法。

1.2.2 吸附實(shí)驗(yàn)

配制 100 mg/L 的磷酸鹽溶液，置于錐形瓶中，向其中添加 0.1 g 吸附劑，放入溫度設(shè)為 25 ℃ 的恒溫振蕩器中連續(xù)振蕩 6 h。取出離心，并用針頭濾膜過濾。采用鉬銻分光光度法顯色后，用紫外-可見分光光度計(jì)(島津-2700)測(cè)磷酸鹽濃度，然后計(jì)算材料吸附率R。

式中：C代表吸附后溶液中磷酸鹽的質(zhì)量濃度，單位mg/L，C0代表初始磷酸鹽的質(zhì)量濃度，單位mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附劑的結(jié)構(gòu)

圖1展示了HT、HT-300、HT-500的XRD譜圖。從圖1(a)看出，HT的XRD譜圖中出現(xiàn)了(003)、(006)、(009)的水滑石標(biāo)志衍射峰，代表其層狀結(jié)構(gòu)。圖1(b)是300℃煅燒后的鎂鋁水滑石的XRD譜圖。煅燒后，(003)特征衍射峰強(qiáng)度逐漸下降，形成峰寬較大的低強(qiáng)度衍射峰；同時(shí)，逐漸偏移到較大的角度，(006)特征衍射峰消失。說明在300℃煅燒3 h后，HT的層板結(jié)構(gòu)部分被破壞。圖1(c)是HT-500的XRD譜圖，代表水滑石的特征峰完全消失，代表其層狀結(jié)構(gòu)坍塌，水滑石特有結(jié)構(gòu)被破壞，變成氧化物結(jié)構(gòu)。

圖1 鎂鋁水滑石及其不同煅燒溫度產(chǎn)物的XRD圖譜

2.2 傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)

圖2 鎂鋁水滑石及其不同煅燒溫度產(chǎn)物的FTIR圖

2.3 吸附性能評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)樣品的吸附性能，將磷酸鹽溶液作為目標(biāo)污染物。圖3中為HT-300及改性水滑石 300 ℃ 焙燒產(chǎn)物對(duì)磷酸鹽的吸附效果。從圖3看出，經(jīng)過 300 ℃ 高溫焙燒后，改性鎂鋁水滑石對(duì)磷酸鹽的吸附性能都強(qiáng)于HT-300，但不同負(fù)載物的改性水滑石的吸附性能相差不大，這說明負(fù)載金屬氧化物提升了鎂鋁水滑石對(duì)磷酸鹽的吸附性能。這可能是由于負(fù)載的金屬氧化物為水滑石載體提供了更多的活性位點(diǎn)導(dǎo)致的。

圖3 300 ℃焙燒(改性)水滑石對(duì)磷酸鹽的吸附效果

圖4 500 ℃ 焙燒(改性)水滑石對(duì)磷酸鹽的吸附效果

3 結(jié)論

通過浸漬法制備了不同金屬氧化物負(fù)載的改性鎂鋁水滑石，并通過XRD、FT-IR對(duì)吸附劑的結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)進(jìn)行表征，對(duì)比了不同吸附劑對(duì)磷酸鹽溶液的吸附性能。結(jié)果表明，CuO-HT-500和ZnO-HT-500的吸附性能最好，達(dá)到81%。因此負(fù)載金屬氧化物和高溫焙燒對(duì)鎂鋁水滑石的磷酸鹽吸附性能有促進(jìn)作用。