铁氧化物改性煤渣去除废水中磷的研究_梁帮强

第33卷第7期西南大学学报(自然科学版)2011年7月Vol.33No.7JournalofSouthwestUniversity(NaturalScienceEdition)Jul.2011文章编号:1673-9868(2011)07-0114-04铁氧化物改性煤渣去除废水中磷的研究①梁帮强,何勇,张文娟,黄玉明西南大学化学化工学院,重庆400715;三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400715摘要:以煤渣为载体制备了负载型铁氧化物的填料作为人工湿地系统新型除磷基质,研究了其对废水中磷素的吸附特性.结果表明,与未改性煤渣相比,改性基质对废水中磷素的去除率提高了约11倍.动力学研究表明,准二级动力学方程可以很好模拟改性基质对磷素的吸附动力学过程;热力学研究表明,用Langmuir方程能较好地描述吸附等温线,理论饱和吸附量为84.75mg/kg.当改性基质的投加量为80g/L时,对磷素的去除率达到90%;同时研究了基质投加量、溶液pH值、腐殖酸和温度对吸附的影响.关键词:改性煤渣;人工湿地;磷酸根;吸附中图分类号:X703文献标志码:A氮、磷等营养物引起的水体富营养化成为了全球性水环境问题[1],其中磷被视为水体富营养化形成的主要限制性因素[2].除磷方法很多,如化学沉淀、生物强化和人工湿地系统等[3].化学沉淀法除磷的成本较高且所使用的金属盐会对环境造成危害,而生物强化除磷对生物生存条件和废水水质要求较高.人工湿地具有低能耗、易管理和成本低等优点,可实现对磷的去除.随着人工湿地技术的广泛应用,人们对除磷填料的研究也日渐关注,尤其是利用工业副产物和工业废料作为除磷填料[4].煤渣具有多孔结构、比表面积大和水力传导性强等特点[5],对磷有很好的吸附作用,可用作人工湿地基质[6-7].但煤渣单独作为基质构建的湿地容易堵塞,会大大缩短湿地寿命[8].HEDSTRM认为对填料作预处理既可以强化填料对磷的去除能力,又可以延长填料的使用寿命[9].铁氧化物是一种很好的磷素吸附材料,但将铁氧化物改性煤渣用于废水除磷的报道还很少[4].本文探索以煤渣为载体的负载型铁氧化物填料作为人工湿地系统新型除磷基质的可行性,研究结果可为潜流人工湿地基质的选择奠定基础.1实验部分1.1改性煤渣的制备煤渣经自来水清洗、干燥并粉碎至粒径为5～8mm,用适量酸处理后烘干.称取上述煤渣20g于锥形瓶中,加入适量FeCl3溶液和碱液混合,即得到铁氧化物改性煤渣(以下简称改性煤渣).1.2吸附动力学试验称取适量改性煤渣于150mL锥形瓶中,加入50mL5mg/L的KH2PO4溶液,置于温度为(25±1)℃、转速为140r/min的恒温振荡器中振荡.分别在1/3,1/2,1,4,8,14,18,22h后取适量溶液,用分光光度法测定清液中磷酸根的质量浓度[10].①收稿日期:2010-06-01基金项目:863计划资助项目(2008AA06Z312);重庆市科技攻关资助项目(CSTC,2009AB7028).作者简介:梁帮强(1985-),男,四川绵阳人,硕士研究生,主要从事环境污染化学的研究.通信作者:黄玉明,教授,博士生导师.DOI:10.13718/j.cnki.xdzk.2011.07.0211.3吸附等温试验称取供试改性煤渣2g于150mL锥形瓶中,分别加入不同质量浓度的KH2PO4标准溶液(本研究均以P计)50mL,于140r/min、(25±1)℃条件下振荡24h,取上层清液测定磷酸根的质量浓度.2结果与讨论经铁氧化物改性后的煤渣中铁的负载量为37.10mg/g,当用初始质量浓度为5.28mg/L的磷酸盐溶液进行试验时,改性煤渣对磷酸根的吸附量为74.40mg/kg,而未改性煤渣对磷酸根的吸附量为6.57mg/kg,可见,改性煤渣的除磷效果提高了约11倍.2.1吸附特性改性煤渣吸附磷酸根的动力学特征如图1所示.由图1可知,5h以前改性煤渣对磷酸根的吸附量随时间显著增加,5h后磷酸根的吸附量随着吸附时间缓慢增加,吸附曲线较为平坦,在14h时基本达到平衡.分别用准一级及准二级动力学模型对改性煤渣吸附磷酸根的过程进行模拟[11]:ln(qe-qt)=lnqe-k1t(1)t/qt=1/kq2e+t/qe(2)从表1的结果可知,吸附过程更符合准二级动力学.表1改性煤渣吸附磷酸根的动力学参数动力学模型k1/h-1k/(kg·(mg·h))-1qe/(mg·kg-1)q＊e/(mg·kg-1)R2准一级动力学0.17-22.2149.370.9606准二级动力学-0.0350.0949.370.9992注:qe为动力学拟合所得数据;q＊e为试验所测数据;k1,k为动力学常数.改性煤渣在25℃下的吸附等温曲线表明,随着平衡质量浓度的增加,改性煤渣对磷的吸附量迅速增加,