沸石对氨氮的吸附行为研究

沸石对氨氮的吸附行为研究

本文研究了斜发沸石对氨氮吸附行为，探讨了水力停留时间、pH值对吸附效果的影响，同时考察了吸附氨氮前后的沸石的性能及结构变化。结果表明，准二级吸附动力学方程能够很好地描述沸石吸附氨氮的过程，沸石在1.0 g/L的氨氮溶液中的理论吸附值为8.69 mg·g-1。沸石吸附氨氮的最佳水力停留时间为40min，最佳pH值为6，并且氨氮去除率随着浓度的升高而降低，随着沸石投加量的增加而升高。沸石吸附氨氮前后形态及结构并未发生变化，比表面积、孔容、孔径则明显降低。

标签：斜发沸石；氨氮

氨氮是水体中重要耗氧物质、是引起水体富营养化的污染物。近年来，随着社会生产水平的提高，氨氮的排放量与日俱增。由于水污染事件频繁发生，严重威胁着社会日常生产工作，对于水污染较严重的地区，逐渐实行更加严格的标准控制污水中氨氮的排放，不少污水处理厂面临标准提高的严峻现状。因此，在兼顾经济的条件下提高处理效率，成为了研究的重点。目前国内解决高浓度氨氮污染主要使用吹脱法、生物法、离子交换法。其中吹脱法容易造成二次污染，生物法条件要求高、反应缓慢，而离子交换法较易控制。天然沸石是一种含水的碱或碱土金属的铝硅酸盐矿物，是由硅氧四面体和铝氧四面体组成的架状硅酸盐，具有比表面积大，吸附性能好，离子交换能力强，化学性能稳定等特点。沸石对氨氮的去除有着较好的效果，对浓度具有普适性，并且由于沸石资源在我国储量丰富、成本低廉，是一种具有前景的水处理方式，因此沸石吸附氨氮受到较多的关注。

一、材料与方法

（一）实验装置

静态吸附采用摇床，动态吸附采用沸石柱装置，如图1所示。实验装置主要由PVC管、蠕动泵、水箱三部分组成，其中PVC管高为100cm，

（二）动态吸附实验

室温下，在不同的滤速下将含氨氮废水通过沸石吸附柱，每隔20分钟取水样并用0.4μm滤膜过滤后测定氨氮的浓度。

二、结果与讨论

（一）静态吸附实验

沸石吸附氨氮量随时间的变化曲线如图所示。由图可知，沸石吸附氨氮具有快速吸附、缓慢平衡的特点，30min时沸石对氨氮吸附量达到8.1 mg·g-1，随着时间的延长，沸石对氨氮去除率变化缓慢，60min时沸石吸附基本达到平衡。采用准一级吸附动力学方程和准二级吸附动力学方程对沸石吸附氨氮行为进行拟合，结果表明准二级方程能够更好的描述沸石吸附氨氮的过程，结果如表1所示。沸石在1000mg/L的氨氮溶液中的理论吸附值为8.69mg·g-1，与实际测量的数值较为接近。

（二）最佳水力停留时间的确定

本实验中取出水浓度Ct与进水浓度C0之比Ct/C0=0.10时，作为穿透点；Ct/C0=0.90时，作为吸附终点，认为吸附已达到平衡，吸附剂几乎完全失去吸附能力。沸石对40mg/L氨氮废液的吸附穿透曲线可知，沸石的穿透时间分别为80min、60min、40min。随着流速增大，溶液在滤层中停留的时间减少，溶液与填料之间没有足够的时间进行充分的离子交换，床层穿透和饱和速度加快，而在低流速条件下，溶液在沸石床内水力停留时间增大，沸石与铵根离子有充足的时间接触，从而增加了沸石的离子交换量。结合前面沸石的静态吸附实验，确定沸石的最佳水力停留时间为40min。

（三）氨氮浓度及沸石投加量对吸附效果的影响

沸石的平衡吸附容量随着氨氮初始浓度的变化和沸石投加量对氨氮吸附效果的影响可知，沸石对氨氮的去除率随着初始浓度的升高而降低，沸石的平衡吸附容量随着初始浓度的升高而升高，并且升高速度逐渐趋缓。在实际的给排水处理工程中，由于进水的浓度范围波动较大，因此在日常运用中可以通过串并联不同吸附床，以达到最佳的氨氮去除效果。随着天然沸石投加量的增加，氨氮的去除率逐渐增大，当投加量为10g，氨氮去除率为86.3%，此后再增大沸石的投加

量，去除率增大的幅度较小。而平衡吸附量随着沸石投加量的增加急剧下降，吸附剂利用率下降，因此，在实际应用中，需要根据废水中氨氮浓度以及处理要求，选择合适的沸石投加量，以节约成本。

（四）pH值对沸石吸附效果的影响

pH值对沸石吸附氨氮效果的影响结果可知，沸石吸附氨氮最合适的pH值为4～8，而最佳值为pH=6。主要因为NH4+在水中存在离解平衡式：NH4+óNH3+H+。由式中可以看出：氢离子浓度增加，即pH值减小，平衡向左移动，这时NH4+浓度增加，所以沸石能够吸附较多的NH4+，其平衡浓度降低；但是pH值太小，H+会与NH4+竞争，造成沸石吸附氨氮的性能下降。pH值较大会使NH4+转变为NH3，沸石吸附氨氮量也会减少。

（五）沸石吸附氨氮前后形态及结构变化探究

使用扫描电镜观察沸石表面，可知沸石表面疏松且呈片状成层结构，并且表面布满孔径为0.1μm～1μm的孔隙，这些孔隙的存在，提高了沸石的比表面积与比表面能，使其能够容纳吸附水中较小的颗粒，以达到较好的吸附效果。由图亦可知吸附氨氮前后，两份样品在5万倍下的SEM扫描电镜照片特征并无较大区别，说明吸附过程中沸石表面性状并无发生改变。而XRD图谱具有很高的重叠性，则表明吸附前后沸石的结构和化学组分也未发生大的改变。通过软件Jade6.5进行物相分析，可知实验用沸石的主要物相为大量斜发沸石与部分钠红沸石。

三、结论

准二级吸附动力学方程能很好地拟合沸石吸附氨氮的过程，沸石在1000mg/L的氨氮溶液中的理论吸附值为8.69mg·g-1。沸石吸附氨氮的最佳水力停留时间为40min，最佳pH=6，并且氨氮去除率随着浓度的升高而降低，随着沸石投加量的增加而升高。沸石吸附氨氮前后形态及结构并未发生变化，比表面积、孔容、孔径则显著降低，可见氨氮离子进入沸石孔道中，占据了孔道一部分的空间。参考文献

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