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改性硅藻土的制备及其除磷性能研究


作者:张帆
【摘 要】以FeCl3为试剂,在碱性溶液中对硅藻土进行改性,探讨了pH、温度和磷酸盐初始浓度对改性硅藻土吸附磷酸盐容量的影响,开展了改性硅藻土对磷酸盐的吸附动力学和热力学特性研究。实验结果表明,在研究的pH范围内,磷酸盐吸附容量随溶液pH值的增大而下降;较高的温度和磷酸盐初始浓度有利于吸附过程。改性硅藻土吸附磷酸根离子的动力学吸附过程符合准二级动力学方程,等温吸附过程符合Langmuir等温吸附模型。改性硅藻土能实现水体中磷酸盐的有效去除,具有潜在的应用前景。
【关键词】硅藻土;改性;除磷;吸附
0 引言
磷酸盐是引起水体富营养化的重要污染物,其能导致藻类快速增长,致使水体复氧功能下降乃至丧失,并致使水质恶化,最终影响人体健康和水生生物的生存[1]。因而,有效去除水环境中的磷酸盐,是控制水体富营养化的重要举措。目前,水环境中去除磷酸盐的主要技术有化学沉淀法、生物法和物理吸附法[2],其中物理吸附法具有操作方便、去除效率高的优点, 已被广泛应用于水环境中磷酸盐的处理。
硅藻土作为一种新型吸附材料,具有比表面积大、吸附能力强、化学稳定性好的优点,其处理成本低、无二次污染,可实现水体中磷酸盐的吸附去除[3]。本研究以硅藻土原土和FeCl3为试剂,在碱性溶液中制备改性硅藻土,开展了其吸附磷酸根离子的热力学和动力学研究,旨为水环境富营养化防治提供借鉴。
1 实验部分
1.1 实验仪器
电子天平(AR1140型);紫外可见光光度计(TU-1901型);智能酸度计(PHB-4型);多功能搅拌器(HJ-5型);数控超级低温恒温槽(SDC-6型);电热恒温鼓风干燥箱(DL-101型)。
1.2 实验原料及试剂
磷酸二氢钾、抗坏血酸、钼酸铵、过硫酸钾、氯化铁、氢氧化钠、浓硫酸均为分析纯试剂,硅藻土为吉林原土。
1.3实验方法
1.3.1 硅藻土改性
将硅藻土原土浸泡于浓度为6mol/L的氢氧化钠溶液2h,加入浓度为1mol/L的氯化铁溶液,用恒温磁力搅拌器在常温下搅拌24h。静置过夜,洗涤至出水为中性,离心过滤,在70℃干燥箱中干燥24h,冷却、研磨备用。
1.3.2 改性硅藻土对磷酸根离子的吸附
分别配置100mL初始浓度为15mg/L的磷酸二氢钾溶液7份,分别调节溶液的pH值为2-8,控制温度为298K,分别加入0.5g改性硅藻土,搅拌1h后测定磷酸根离子的浓度,计算改性硅藻土对磷酸根离子的吸附量,研究pH值对改性硅藻土吸附性能的影响,本文采用钼酸铵分光光度法测定溶液中磷的含量[4],改性硅藻土吸附磷酸盐的吸附量由公式(1)计算:
式中,qt为t时刻改性硅藻土的吸附量,mg/g;V为溶液的体积,L;m为改型硅藻土的投加量,g;C0、Ct分别为溶液中磷的初始浓度和t时刻的浓度,mg/L。
1.3.3 改性硅藻土吸附磷酸根离子的动力学和热力学
配置初始浓度为15mg/L的磷酸二氢钾溶液100mL,加入0.5g改性硅藻土,恒温搅拌,温度分别控制为288K、298K和308K,每隔一定时间测定溶液中磷酸根离子的浓度,计算改性硅藻土的吸附量,分析接触时间和温度对改性硅藻土吸附性能的影响,并开展其吸附磷酸盐的动力学的研究。
配置50mL初始浓度为5-30mg/L的磷酸二氢钾溶液, 加入0.5g改性硅藻土,恒温搅拌,研究改性硅藻土吸附磷酸盐的等温吸附过程。实验过程中,溶液温度分别控制为288K、298K和308K,当其吸附达平衡后测定溶液中磷酸根离子的浓度,计算改性硅藻土的吸附量,分析磷酸根离子初始浓度对改性硅藻土吸附性能的影响,并开展其吸附磷酸盐的热力学的研究。
2 结果与讨论
2.1 pH值对改性硅藻土吸附性能的影响
pH值对改性硅藻土吸附磷酸盐的性能影响较大。在强酸性条件下,改性硅藻土吸附磷酸盐的性能优良,磷酸盐去除率达83%,磷酸盐去除率随溶液pH值的增大逐渐下降。究其原因是硅藻土表面羟基在水溶液中部分离解为Si-O和H_,形成带OH-负电基团的表面吸附层,使硅藻土表面带有负电荷,由于水体中的磷主要是以PO43-的形式被吸附,随着硅藻土表面负电荷数增大,增强了对磷酸根离子的静电斥力,从而致使改性硅藻土对磷酸根离子的吸附容量下降。另一方面,在酸性溶液中,Fe3_的水解产物主要是Fe(OH)2_,其促进了对PO43-的吸附[5,6]。
2.2 接触时间和温度对改性硅藻土吸附性能的影响及吸附动力学分析
不同温度下改性硅藻土对磷酸根离子的吸附量均随温度升高而提高,当与磷酸盐溶液接触时间超过20分钟后,各温度下改性硅藻土对磷酸根离子吸附量的变化皆趋于平缓,缓慢增加直至达到吸附平衡。
改性硅藻土对磷酸根离子的吸附速率不仅与其功能基团有关,而且受硅藻土结构的影响。本研究采用准一级动力学模型、准二级动力学模型分析改性硅藻土吸附磷酸根离子的动力学过程,其数学表达式分别列于公式(2)和(3)[7,8]。
式中,k1为准一级动力学吸附速率常数,min-1;qe为平衡吸附量,mg/g;qt为t时刻的吸附量,mg/g;k2为准二级动力学吸附速率常数,g/(mgmin)。由各动力学方程的拟合结果可知,改性硅藻土吸附磷酸根离子较好符合准二级动力学方程。
2.3 磷酸盐初始浓度对改性硅藻土吸附性能的影响及等温吸附分析
在288K、298K和308K温度下,磷酸根离子初始浓度对改性硅藻土吸附量影响的变化趋势一致,平衡吸附量随浓度增加而增大。本研究采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型分析改性硅藻土对磷酸根离子的等温吸附过程,Langmuir和Freundlich等温吸附模型的数学表达式分别列于公式(4)、(5)[9,10]中。
式中,qe为吸附平衡时改性硅藻土的吸附量,mg/g;qm为最大吸附量,mg/g;Ce为吸附平衡时溶液中磷酸根离子的浓度,mg/L;b为Langmuir吸附等温常数;KF为Freundlich吸附等温常数;n为经验常数。由拟合结果可知,改性硅藻土吸附磷酸盐的等温吸附过程皆符合Freundlich和Langmiur等温吸附模型,但应用Langmiur等温吸附模型描述其等温吸附过程更为精确。
3 结论
在碱性溶液中加入Fe3_对硅藻土进行改性处理,使其表面负载铁氧水合物。pH值对改性硅藻土吸附磷酸根离子的影响显著,酸性条件有利于水环境中磷酸盐的吸附去除。改性硅藻土的吸附动力学符合准二级动力学反应方程,Langmuir等温方程能较好地描述其等温吸附特征。改性硅藻土用于水环境中磷酸盐的去除研究对水体富营养化的防治具有借鉴意义。
【参考文献】
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