天然及改性沸石去除水中磷的试验研究

发布时间：2018-11-09 12:27

【摘要】：近几十年来,国内外因水体中营养元素过量而引起的营养富集化现象普遍发生,虽然在水体中的磷元素含量相对于氨氮较少,但是磷元素在海洋、湖泊的赤潮、水华等富营养化问题当中占据主导地位。因此,如何减少生活污水和工业废水中的磷元素已经逐渐成为国内外研究者重点关注的问题。本次通过吸附作用除磷,采用的试验为静态吸附试验,吸附剂是甘肃白银天然及改性沸石材料。论文前半部分以磷酸盐模拟废水为研究对象,后半部分对去除实际养殖废水和地表径流中的氮磷元素做了初步研究。对天然沸石所做的表征有电子扫描显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、比表面测定仪(BET),分别用来确定沸石材料的组成成分和测定吸附剂材料的比表面积。本文对天然及改性沸石的吸附除磷特性方面所做的研究包括以下几个方面,首先确定以白银天然沸石为基础原料的的改性方法:利用FeCl3溶液对天然沸石进行改性,并通过控制各种因素(焙烧温度、焙烧时间、天然沸石的颗粒半径、FeCl3溶液的浓度)进一步优化沸石改性过程的条件,确定最佳改性条件;其次,将FeCl3改性前后沸石对磷酸根的吸附效果进行对比,同时也将FeCl3改性吸附剂对磷元素(PO43-)及氮元素(NH4+)的去除效果进行对比;再研究FeCl3改性沸石在去除磷酸根的过程中容易受到的各种因素的影响,比如模拟磷废水初始浓度、静态试验反应的时间、接触温度、p H及FeCl3改性吸附剂投加量,获得FeCl3改性过程的最优条件。最后将改性后的沸石应用到实际养殖废水和降雨形成的地表径流中氮磷的去除,考察改性沸石处理实际废水的能力。同时利用改性前后沸石吸附剂对模拟废水和实际废水中氮磷的去除数据绘制反应过程的Langmuir、Freundlich吸附等温线,对磷酸根的去除过程进行动力学、热力学分析,探讨FeCl3改性吸附剂对磷酸根的去除机理。以下为实验结果:(1)电子显微镜的图片显示沸石的表面十分粗糙并且晶体内部存在大量的孔穴和孔隙;通过能谱仪测定天然沸石的主要组成成分有铝、硅、铁等元素。其中,Al占总量的12.47%,Fe占总量的13.44%,Si与Al的元素含量之比为4.13。白银沸石颗粒的比表面积是10.08m2/g,改性后铁的含量明显提高。(2)通过单因素实验得到四种因素都对FeCl3溶液改性天然沸石的过程产生影响:FeCl3改性沸石对磷的吸附能力随FeCl3溶液浓度增大而增大,随着焙烧温度增高却降低,随在焙烧时间增长对磷的去除量逐渐递增,颗粒尺寸越小产生的去除效果越好。正交实验结果表明改性过程最主要的影响因素是焙烧温度,焙烧温度不能太高,否则会破坏沸石的内部结构,使孔穴和孔道坍塌,其次是沸石的粒径、焙烧时间和FeCl3溶液的浓度。得到的最佳改性条件为:焙烧温度为200℃,吸附剂粒径为80~100目,焙烧时间是4h,FeCl3的浓度是4.5mol/L。(3)对改性沸石去除磷酸根的实验条件(磷酸根废水的浓度、反应过程中的振荡时间、温度、pH及吸附剂的投加量)的研究得到:FeCl3改性沸石投加量不断升高,对磷的去除率增大,但投加量为1.5000g之后增长幅度很小;FeCl3改性吸附剂去除量随磷初始浓度增大先迅速增加,在磷模拟废水初始浓度为140mg/L之后,去除量增长趋于平缓,具有“快速吸附、缓慢平衡”的性质;FeCl3改性复合吸附剂对磷的去除效果因温度升高逐渐增加;在p H小于8时,沸石去除剂去除磷酸根的量随着p H值增长而增长,p H=8时去除效果最好,之后p H继续增长去除效果降低。(4)FeCl3改性后的沸石吸附剂相对于改性前吸附效果明显增强,天然沸石去除磷酸根在900min之后缓慢趋于平衡,氯化铁改性后的沸石反应趋于平缓的时间略短,在720min后趋于平衡状态,平衡吸附量为3.2798mg/g,平衡吸附量比之前增长了3.2055mg/g。FeCl3改性吸附剂对NH4+的去除能力与PO43-的去除能力相差较大,效果不是很好。(5)Freundlich模型的R2大于Langmuir、Freundlich和Tempkin模型的R2,说明FeCl3改性沸石去除磷酸根的反应并不是简单单分子层吸附,而是更符合Freundlich模型的表面不均匀的多分子层反应。其中,氯化铁改性沸石去除磷酸根反应模型方程中的1/n=0.2056,说明吸附反应容易进行,因此吸附反应属于优化吸附。热力学分析中显示,改性吸附剂的吸附熵变为140.67 J/(mol·K),过程焓变为42.371KJ/mol,充分证明此过程为吸热的熵增过程并且属于物理吸附。动力学分析结果显示,准二级动力学方程相关系数R2=0.9988,R2最大,更能准确描述FeCl3改性沸石吸附剂的动力学过程,说明反应过程并不是简单快速吸附过程,而是快速和慢速交替的复杂过程。(6)将天然及改性沸石应用的实际废水中,天然沸石对地表径流中的氨氮去除率最高可以达到78.9%,氨氮剩余浓度为0.327 mg/L,符合国家地表水环境质量标准中的Ⅰ类标准GB3838-2002和国家污水综合排放一级标准GB8978-1996。FeCl3改性沸石吸附剂应用的实际养殖废水中,对养殖废水中的氨氮吸附量为2.21mg/g;对磷的吸附量为0.99mg/g,去除率高达75%。经处理后的氨氮剩余浓度为67.39 mg/L,磷的剩余浓度为4.62 mg/L,符合国家畜禽养殖业污染物排放标准GB18596-2001。
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【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703

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