-沸石復合材料的制備及其對水中低濃度磷酸鹽的吸附性能

磷是導致水生土壤富營養(yǎng)化的重要養(yǎng)分。如果不添加處理，直接排入地表水，則會增加地表水中的磷濃度，增加水體的富營養(yǎng)化風險。因此，有效去除含磷廢水中的磷酸鹽對控制和管理水面水體中的養(yǎng)分具有重要意義。廢水中的主要去除方法包括生物法、化學沉淀法和吸附法。沸石是呈骨架狀結(jié)構(gòu)的多孔性鋁硅酸鹽晶體,具備較高的陽離子交換能力研究表明,氫氧化鑭[La(OH)為此,本研究首先對比分析不同沉淀pH值條件下制備得到的鑭-沸石復合材料對水中磷酸鹽的吸附性能,再考察最佳沉淀pH值條件下制備的鑭-沸石復合材料對水中較低濃度磷酸鹽的吸附性能,再探討了最佳沉淀pH值條件下制備的鑭-沸石復合材料的除磷機制,以期為應(yīng)用鑭-沸石復合材料去除水中低濃度磷酸鹽提供理論和技術(shù)支撐.1材料和方法氯化鑭(LaCl1.23沸騰石材料的制備首先,分別稱取10g過200目篩天然沸石和2gLaCl1.3-沸石復合材料各元素含量的測定采用日本島津公司生產(chǎn)的型號為XRF-1800的波長色散型X射線熒光光譜儀(XRF)對鑭-沸石復合材料中各元素含量進行分析.采用pH值漂移法對鑭-沸石復合材料的零電荷點(pH1.4磷酸鹽初始濃度首先,采用批量吸附實驗對比不同沉淀pH值條件下制備的鑭-沸石復合材料對水中磷酸鹽的吸附能力.其次,選擇對磷酸鹽吸附能力最強的鑭-沸石復合材料作為吸附劑,采用批量吸附實驗考察不同磷酸鹽初始濃度條件下該吸附劑對水中磷酸鹽的吸附性能,并進一步考察吸附劑投加量、磷酸鹽溶液pH值、共存陰離子(SO式中,t為反應(yīng)時間(min);c1.5磷酸前后、閃石配合物的硅分析采用日本島津-Kratos公司生產(chǎn)的KratosAxisUltra2結(jié)果與討論2.1不同ph值的-沸石復合材料的表征本研究所用天然沸石主要由Si、O、Al、K、Ca和Na等化學元素所組成.表1為不同沉淀pH值條件下制備的鑭-沸石復合材料的化學元素含量(質(zhì)量分數(shù)).從中可見,鑭-沸石復合材料不僅包含天然沸石的化學元素組成,而且還包含鑭元素.這說明采用本研究所用的方法已經(jīng)成功制備得到了鑭-沸石復合材料.由表1還可見,當沉淀pH值為7時,鑭-沸石復合材料中鑭含量較低,僅為3.10%;當沉淀pH值為9~12時制備的鑭-沸石復合材料中鑭含量則明顯高于當沉淀pH值為7時制備的復合材料中鑭含量,達到16.57%~17.07%;當沉淀pH值為13時制備的鑭-沸石復合材料中鑭含量則介于當沉淀pH值7時和9~12時制備的復合材料中鑭含量,為9.96%.有研究發(fā)現(xiàn)圖1為鑭-沸石復合材料的pH2.2磷酸鹽溶液ph值的影響溶液pH是影響氫氧化鑭沉淀形成的一個重要因素.因此,不同沉淀pH值條件下制備得到的鑭-沸石復合材料對水中的磷酸鹽的吸附性能可能是不同的.為此,本研究考察了不同沉淀pH值條件下制備得到的鑭-沸石復合材料對水中磷酸鹽吸附性能.吸附實驗條件:磷酸鹽初始濃度c沸石的鋁硅酸鹽骨架表面帶電荷,故沸石對水中磷酸根陰離子的吸附能力很差當磷酸鹽溶液pH值為7.0時,水中磷酸鹽主要以H2.3在最佳沉淀ph條件下，-煮沸石酸乙烯基醚的影響因素分析2.3.1磷酸鹽吸附模型圖3為初始磷酸鹽濃度對沉淀pH值為11條件下制備得到的鑭-沸石復合材料吸附水中磷酸鹽的影響(吸附實驗條件:c采用Langmuir和Freundlich等溫吸附模型對圖3實驗數(shù)據(jù)進行擬合.線性化的Langmuir和Freundlich等溫吸附模型分別見公式(4)和(5)式中,q2.3.2投資的影響圖4為吸附劑投加量對沉淀pH值為11條件下制備得到的鑭-沸石復合材料吸附水中磷酸鹽的影響.實驗條件:c2.3.3磷酸鹽溶液ph值的影響溶液的pH值變化可能不僅影響溶質(zhì)的存在形態(tài),而且對吸附劑的表面電荷產(chǎn)生影響,進而可能影響吸附劑對水中吸附質(zhì)的吸附作用.為此,本研究考察了溶液pH值對沉淀pH值為11條件下得到的鑭-沸石復合材料吸附水中磷酸鹽的影響,實驗條件為:c當磷酸鹽溶液pH值由3逐漸增加到8時,水中磷酸鹽存在形式的變化規(guī)律首先表現(xiàn)為H2.3.4粒徑表征沉淀pH值為11條件下制備得到的鑭-沸石復合材料對水中磷酸鹽的吸附動力學曲線(實驗條件:c式中,q準二級動力學模型對圖6實驗數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果見表4.從中可知,準二級動力學模型擬合動力學數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)R鑭-沸石復合材料對水中磷酸鹽的吸附動力學過程通常包括3個步驟:①膜擴散(或邊界層擴散)、②顆粒內(nèi)擴散和③吸附劑表面上的吸附反應(yīng).通常情況下,吸附劑表面上的吸附反應(yīng)屬于快速的過程,而膜擴散和顆粒內(nèi)擴散屬于緩慢的過程.因此,通常情況下膜擴散和顆粒內(nèi)擴散是吸附反應(yīng)的速率限制步驟.為識別吸附反應(yīng)的速率限制步驟,本研究進一步采用顆粒內(nèi)擴散模型對圖6的實驗數(shù)據(jù)進行分析.顆粒擴散模型的數(shù)學表達式見公式(8)式中,k鑭-沸石復合材料吸附水中磷酸鹽的顆粒內(nèi)擴散模型擬合曲線見圖7.從中可以看出,鑭-沸石復合材料吸附水中磷酸鹽的動力學過程明顯分為3個階段:①第一階段為快速的外表面吸附階段;②第二階段為緩慢吸附階段,此階段顆粒內(nèi)擴散是吸附的速率控制步驟;③第三階段為緩慢吸附平衡階段.根據(jù)顆粒內(nèi)擴散模型的直線擬合結(jié)果計算得到第二階段的顆粒內(nèi)擴散模型參數(shù),結(jié)果見表4.從中可知,緩慢吸附階段擬合直線沒有經(jīng)過原點,這說明顆粒內(nèi)擴散和膜擴散共同是緩慢吸附階段鑭-沸石復合材料吸附水中磷酸鹽的速率控制步驟.2.3.5氯、硫酸根離子和碳酸氫根離子的影響城鎮(zhèn)污水中通常會存在SO2.3.6磷酸鹽溶液共存腐殖酸的影響城鎮(zhèn)污水中通常會含腐殖酸等天然性有機物,它們可能會影響鑭-沸石復合材料對水中磷酸鹽的吸附.為此,本研究考察了共存腐殖酸對沉淀pH值為11條件下得到的鑭-沸石復合材料吸附水中磷酸鹽的影響.實驗條件:c2.4mp-4p-4p-4p-4p-4p-4p-4-沸石復合材料的o1s分析圖10為吸附磷酸鹽前后的沉淀pH值為11時鑭-沸石復合材料的XPS全譜圖.從中可見,吸附劑未吸附磷酸鹽之前的全譜圖中沒有發(fā)現(xiàn)P2p的峰,而吸附劑吸附磷酸鹽后出現(xiàn)了P2p峰.這說明吸附后磷酸鹽已經(jīng)被負載到了吸附劑表面上.圖11為吸附磷酸鹽前后的沉淀pH值為11時鑭-沸石復合材料的O1sXPS光譜圖.由圖11(a)可見,沉淀pH值為11時鑭-沸石復合材料的O1s光譜圖可以分解為3個峰,它們的結(jié)合能分別為531.74、532.75和534.62eV,它們分別屬于氧化物氧(O綜合分析離子影響和XPS分析的結(jié)果,證實當磷酸鹽溶液pH值為7時,配位體交換作用是沉淀pH值為11時鑭-沸石復合材料吸附磷酸鹽的主要機制.3磷酸鹽溶液ph值的影響(1)當制備復合材料時沉淀pH值為5~7或13時,復合材料對水中磷酸鹽的吸附能力較差;當沉淀pH值控制為9~12,復合材料對水中磷酸鹽的吸附能力較好,且當沉淀pH值由9增加到11時,復合材料的吸磷能力明顯增加,繼續(xù)增加pH值由11到12時,復合材料的吸磷能力基本不變.(2)沉淀pH值為11條件下制備得到的鑭-沸石復合材料對水中磷酸鹽的吸附平衡數(shù)據(jù)可以較好地采用Langmuir模型加以描述,根據(jù)Langmuir模型預(yù)測的最大磷酸鹽吸附量為44mg·g(3)當磷酸鹽溶液pH值由3增加到8時,鑭-沸石復合材料(沉淀pH值為11)對低濃度磷酸鹽的吸附能力增加,繼續(xù)增加磷酸鹽溶液pH值時,該復合材料對磷酸鹽