钛酸盐纳米管对水中氨氮吸附特性

钛酸盐纳米管对水中氨氮吸附特性钛酸盐纳米管对水中氨氮吸附特性生态环境部发布的2018年1~12月全国地表水环境质量通报中指出氨氮是全国地表水及主要江河水系污染指标之一.水体中的氨氮含量过高会引起水体富养化,导致水质恶化、鱼虾等水生生物难以生存,水生态系统遭到破坏.同时氨氮可被硝化细菌氧化成亚硝酸盐和硝酸盐,人类饮用后可诱发血红蛋白血症和增加致癌风险.因此,去除水中的氨氮、减少其危害是一项意义重大的课题.常见的氨氮废水处理工艺有吸附法、折点氯化法、化学沉淀法、吹脱法及催化氧化法等.其中,吸附法具有高效、工艺简单、成本低等优点,被广泛应用于氨氮废水的治理中.吸附氨氮的材料既包括活性炭、生物炭、天然沸石和膨润土等天然材料,也包括分子筛、纳米材料等人工材料.天然材料成本低、易获取,但吸附效果较差.人工材料成本高、工艺复杂,但吸附效果较好.钛酸盐纳米材料具有独特的物理化学特性,在储氢、电池和气体传感器等领域有广泛应用.其中钛酸盐纳米管具有比表面积大、孔隙度高、表面活性位点多及等电点较低等优点,从而表现出卓越的离子交换性能、良好的沉降性能、较快的吸附速率及易于解吸再生等特点.钛酸盐纳米管在水体中重金属和染料的去除方面有较多研究,但其对氨氮的吸附研究报道较少.本文利用水热法制备钛酸盐纳米管,研究钛酸盐纳米管对水中氨氮的吸附特性及影响因素,并通过再生-循环实验及红外表征探讨钛酸盐纳米管对氨氮的吸附机制,以期为去除水中氨氮的应用打下理论基础.1材料与方法1.1试剂与仪器本实验主要试剂有盐酸、酒石酸钾钠、氯化铵、碘化钾、二氯化汞、氢氧化钠(国药集团化学试剂有限公司);氢氧化钾(上海凌峰化学试剂有限公司);P25(Degussa,德国).以上试剂均为分析纯,实验用水为自制超纯水.主要仪器设备有PB-10型pH计(赛多利斯科学仪器有限公司);LG16-B型离心机(北京雷勃尔医疗器械有限公司);SHZ-88A型恒温水浴振荡器(太仓市仪器设备厂);D/max-rcX射线粉末衍射仪(XRD,日本理学公司);H-7650型透射电子显微镜(TEM,日本Hitachi公司);Cary5000分光光度计(FT-IR,美国Varian公司);Nano-ZS90型电位仪(英国MalvernInstruments公司);TU-1901型双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器公司)等.1.2TNTs的制备将0.8g的P25粉末加到80mLNaOH溶液中,超声30min后,磁力搅拌30min,然后将混合均匀的乳白色溶液放入100mL含聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中(填充度80%),置于150℃的鼓风干燥箱中反应24h.反应结束冷却到室温后,将生成的白色固体用去离子水洗涤至上清液呈中性后抽滤;滤饼置于烘箱中80℃烘12h,研磨后收集备用.氢氧化钠浓度为6、8、10、12和14mol·L-1制备的钛酸盐样品分别记为TNTs-6M、TNTs-8M、TNTs-10M、TNTs-12M和TNTs-14M.1.3TNTs的表征所制备的样品及吸附氨氮后的样品经玛瑙研钵磨细后,用XRD分析样品的物相组成,辐射源为CuKα,管电流40mA,管电压45kV,时间常数为tc=2,扫描范围为5°~85°.样品的形貌用TEM观察.样品的红外光谱图由FT-IR测定,采用KBr压片法,测试范围为4000~400cm-1.不同pH值下样品表面的Zeta电位由电位仪测量.1.4静态吸附实验本实验考察了溶液初始pH、吸附剂投加量、氨氮质量浓度、吸附时间、反应温度和共存阴阳离子对氨氮吸附的影响,并进行吸附剂的再生-循环实验,探讨材料对氨氮的吸附机制.具体实验如下：准确称取一定质量的TNTs,放入一系列150mL锥形瓶中,分别加入50mL一定浓度的氨氮溶液,置于140r·min-1的恒温摇床内6h后取出,上清液经0.45μm水系滤膜过滤,采用纳氏试剂分光光度法[24]测定滤液中氨氮浓度.所有实验进行3次平行重复,取平均数据进行分析.氨氮的平衡吸附量(qe)及吸附效率(η)计算方法如下：(1)(2)式中,qe为TNTs对氨氮的平衡吸附量(mg·g-1);η为吸附效率(%);V为氨氮溶液的体积(L);m为TNTs的投加量(g);c0和ce分别为氨氮溶液的初始浓度和平衡浓度(mg·L-1).影响因素实验：①溶液pH范围为1~9;②吸附剂投加量为2~12g·L-1;③氨氮溶液质量浓度为10~110mg·L-1;④吸附时间为1~360min;⑤反应温度为25、35和45℃;⑥共存阴离子分别为Cl-、SO42-和H2PO4-(分别用氯化铵、硫酸铵和磷酸二氢铵配制氨氮溶液,氨氮质量浓度为10、30、50、70、90和110mg·L-1);⑦共存阳离子分别为Na+、K+和Ca2+(氨氮质量浓度为50mg·L-1,分别用氯化钠