改性鎂鋁水滑石對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

(安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001)

污水中的磷能引起江河湖泊等水體的富營養化[1-2]。現階段，廢水除磷方法多種多樣包括：生物法、化學沉淀、電解、物理吸附和膜技術等等[3-7]。其中，吸附法具有多次循環使用、吸附容量大、產生污染小、吸附速率快等優點。磷酸鹽吸附應用研究離不開吸附劑，如何開發出穩定高效的吸附劑是當前吸附劑研究中的一個關鍵問題。

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性和離子交換性，以及獨特的層狀結構、陰離子交換和 “記憶效應”，被廣泛用于污水處理、光電催化、耐腐蝕等領域[8-9]。研究表明，水滑石對磷酸根離子具有較高的吸附容量，可應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、乙酸鋅對鎂鋁水滑石進行浸漬，浸漬后的樣品經 300 ℃ 和 500 ℃ 焙燒得到氧化鈷、氧化鎳、氧化銅、氧化鋅負載的鎂鋁水滑石，通過XRD、FT-IR等表征探究焙燒對鎂鋁水滑石結構和官能團的影響，并考察不同吸附劑的磷酸鹽吸附性能。

1 實驗部分

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 ℃ 下用旋轉蒸發儀攪拌蒸發，直至液體完全蒸發。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 磷酸鹽吸附效果評價

1.2.1 磷酸鹽的測定

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

1.2.2 吸附實驗

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，放入溫度設為 25 ℃ 的恒溫振蕩器中連續振蕩 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(島津-2700)測磷酸鹽濃度，然后計算材料吸附率R。

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

2 結果與討論

2.1 吸附劑的結構

圖1展示了HT、HT-300、HT-500的XRD譜圖。從圖1(a)看出，HT的XRD譜圖中出現了(003)、(006)、(009)的水滑石標志衍射峰，代表其層狀結構。圖1(b)是300℃煅燒后的鎂鋁水滑石的XRD譜圖。煅燒后，(003)特征衍射峰強度逐漸下降，形成峰寬較大的低強度衍射峰；同時，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的層板結構部分被破壞。圖1(c)是HT-500的XRD譜圖，代表水滑石的特征峰完全消失，代表其層狀結構坍塌，水滑石特有結構被破壞，變成氧化物結構。

圖1 鎂鋁水滑石及其不同煅燒溫度產物的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物的FTIR圖

2.3 吸附性能評價

為了評價樣品的吸附性能，將磷酸鹽溶液作為目標污染物。圖3中為HT-300及改性水滑石 300 ℃ 焙燒產物對磷酸鹽的吸附效果。從圖3看出，經過 300 ℃ 高溫焙燒后，改性鎂鋁水滑石對磷酸鹽的吸附性能都強于HT-300，但不同負載物的改性水滑石的吸附性能相差不大，這說明負載金屬氧化物提升了鎂鋁水滑石對磷酸鹽的吸附性能。這可能是由于負載的金屬氧化物為水滑石載體提供了更多的活性位點導致的。

圖3 300 ℃焙燒(改性)水滑石對磷酸鹽的吸附效果

圖4 500 ℃ 焙燒(改性)水滑石對磷酸鹽的吸附效果

3 結論

通過浸漬法制備了不同金屬氧化物負載的改性鎂鋁水滑石，并通過XRD、FT-IR對吸附劑的結構和官能團進行表征，對比了不同吸附劑對磷酸鹽溶液的吸附性能。結果表明，CuO-HT-500和ZnO-HT-500的吸附性能最好，達到81%。因此負載金屬氧化物和高溫焙燒對鎂鋁水滑石的磷酸鹽吸附性能有促進作用。