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活性炭表面改性及其对磷(V)吸附性能的研究
作者:管理员    发布于:2018-07-09 09:04:37    文字:【】【】【

  富营养化问题是当今世界面临的严峻水污染问题之一,产生的原因主要是水体中含有的氮、磷等可供藻类利用的营养物质过多,其中磷是根本的限制因素,因此磷的去除尤为重要。目前处理含磷废水的方法主要有:生物法、化学法、吸附法、结晶法及其它处理方法,其中吸附法处理含磷废水的浓度范围宽、工艺简单、操作方便,而且可以回收磷,是目前备受关注、研究较多的一种含磷废水处理技术,但该法在抗干扰性、溶解损失及再生方面仍然存在一些问题,因此,对已有吸附剂进行改性或开发容量高、性能优的高效吸附剂是提高除磷效果的发展趋势。活性炭作为一种吸附和催化材料,已在化工、石油、环境保护等多个领域得到广泛应用,其性能主要由孔隙结构和表面化学性质两方面决定,对其进行表面改性是提高吸附能力和利用率的主要途径,近年来,活性炭主要通过物理改性、氧化改性、还原改性、负载金属或化合物改性,吸附的最佳pH值在4.0~6.0,说明PAC-3的表面带正电,磷(V)主要以HP4-的形态凭借静电引力而被吸附。本实验控制初始pH值为5.0. 2.2.3吸附温度的影响按1.4节的实验方法,初始pH在5.0,加人0.25gPAC-3,静置吸附90min,考察吸附温度对吸附效果的影响,结果见表5.表5吸附温度对吸附效果的影响由表5可见,随着温度的增大,吸附率逐渐增大,但幅度不大。在30~40°C,吸附率提高了5.3%,在30~60°C,吸附率提高了8.3°%,在60~70°C,吸附率达到最大且基本不变,提示该过程为吸热过程。考虑到该过程受温度影响较小和成本因素,本实验选择在室温下进行。

  2.2.4磷(V)溶液浓度的影响按1.4的实验方法,初始pH在5.0,加人0.25gPAC-3,静置吸附90min,考察磷(V)溶液浓度对吸附效果影响,结果见表6.表6磷(V)溶液浓度对吸附效果的影响磷(V)初始浓度吸附率/%由表6可见,随着磷(V)溶液浓度的增大,吸附率逐渐下降。当磷(V)溶液浓度为10~20mg/L时,吸附率可达99%,有利于低浓度磷(V)的吸附,当磷(V)溶液浓度大于40mg/L时,由于PAC-3的用量保持不变,提供的吸附位数量保持不变,吸附后残余浓度逐渐加大,导致吸附率下降,但随着磷(V)溶液浓度的增大,扩散速度加快,吸附位的利用率提高,导致吸附容量增加。实际处理中应根据磷(V)溶液浓度的大小及时调整PAC-3的用量,才能取得好的去除效果。

  按1.4节的实验方法,初始pH在5.0,静置吸附90min,考察PAC-3用量对吸附效果影响,结果见表7.表7PAC-3用量对吸附效果的影响吸附剂用量/g吸附率/%由表7可见,PAC-3用量对吸附率影响很大。在PAC-3用量为0.05~0.25g时,提供的吸附位数量逐渐增大,导致吸附率相应增大,吸附剂用量在0.4~0.5g时,虽然提供的吸附位数量在增大,但受吸附平衡的制约,吸附率达到最大且基本不变。本实验选择PAC-3用量为2.3共存物质的影响液混合,调pH到5.0,加入0.25gPAC-3,静置吸附90min,考察共存物质对吸附效果的影响,结果见表8.表8共存物质对吸附效果的影响共存物质无共存物质的浓度/g-L-1吸附率/%不大,Na2CO3和Cr(W)有增强作用,其中Cr(W)的增强作用显著,吸附率提高了13.3%.由于Na2CO3、Cr(W)分别可和磷酸根、Fe3+产生协同沉淀,导致吸附率增大,SO/-与磷酸根产生竞争吸附,导致吸附率有所下降,NO3-不被吸附,导致吸附率不变。

  2.4洗脱与再生90min,过滤,将吸附后的PAC-3在105C烘2h,用0.1mol/L的NaOH溶液洗脱1h,经光度法检验磷(V)被洗脱下来,可回收磷。然后用蒸馏水将洗脱后的PAC-3洗至中性,于105C烘3h,称其质量为0.19g,再按上述方法吸附,测得吸附率为60.2%,和相同质量新鲜的PAC-3比较,吸附率有所下降,但下降幅度不大,可重复使用。

  2.5机理探讨于6.5时,Fe(OH)2+吸附在PAC表面,使PAC-3表面带正电,磷(V)主要以h2po4-的形式存在,二者产生静电吸引;当pH值在6.5~9.0时,Fe(OH)吸附在PAC表面,使PAC-3表面正电荷减少,磷(V)主要以H2P4-或HPO/-的形式存在,静电吸引作用减弱;当pH值大于9.0时,FeO-吸附在PAC表面,使PAC-3表面带负电,磷(V)主要以HPO/-或P43-的形式存在,二者相互排斥。说明弱酸性条件对吸附有利,强碱性条件对脱附有利。

  (2)在进行2.2.2节实验的同时,对吸附前后溶液的pH值进行了测定,结果见表9.表9吸附前后溶液的pH值变化初始pH值吸附后pH值pH值变化值在pH6.0时,吸附后pH值下降,说明不同pH值下的吸附机理存在差异,可解释如下:软硬酸碱规则,它们之间能发生络合反应形成稳定的内层配合物。PAC-3对磷(V)吸附的最佳pH值在4.0~6.0,络合反应方程可表示为:FeOOH+3H2P4-+3H+=Fe(H2P4)3+2H2.络合反应过程要消耗H+,导致pH值升高。

  (2)PAC-3表面羟基铁中的羟基可与磷(V)离子发生交换。离子交换反应可表示为:在酸性条件下,Fe-OH+H2P4-+H+=Fe-H2P4-+H2,Fe-OH+HP42-+H+=Fe-HP42-+H2,该过程要消耗H+,导致pH值升再生,只是洗脱下来的H2P4-、HP42-由于强碱性条件以PO/-的形式脱附。

  综上所述,初步认为PAC-3对磷(V)的吸附机制存在静电吸引、络合反应和离子交换,以络合反应为主。随着pH值的变化,Fe3+在PAC-3表面的存在形态及磷(V)在溶液中的不同形态,影响并使吸附的作用机制发生差异,因而产生不同的结果。在弱酸性条件下,静电吸引、络合反应和离子交换作用容易发生,导致吸附率升高,这和2.2.2节初始pH值影响的实验结果相吻合,证实了上述吸附机制的存在。

  3结论PAC-3和PAC-6对磷(V)的吸附能力最强。在室温下,处理浓度30mg/L的磷(V)溶液25mL,pH值为5.0,PAC-3用量为0.4g,静置吸附90min,吸附率可达99%,吸附后的PAC-3可用0.1mol/L的NaOH溶液洗脱,再生后对磷(V)的吸附率为60.2%,可重复使用。共存物质中,NaNO3没有影响,Na2SO4抑制作用不大,Na2CO3和Cr(W)有增强作用,其中Cr(W)的增强作用最大。PAC-3对磷(V)的吸附机制存在静电吸引、离子交换和络合反应,以络合反应为主。PAC-3对磷(V)的吸附率和PAC-0相比提高了30.9%,具有实际应用价值,应进一步研究和完善,使其在含磷废水的处理中发挥更大的作用。

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