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活性氧化铝去除不同浓度污水中磷的研究
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活性氧化铝去除不同浓度污水中磷的研究

2019-07-20      阅读:
通过批量吸附实验明确活性氧化铝吸附剂量、 值、温度等不同条件下对 种浓度(  / 180 pH 2mgL mg/L)模拟污水中磷酸盐去除效果进行研究,分析活性氧化铝吸附磷酸盐的穿透曲线 ,并在此基础上对其吸磷机制进行分析。结果表明:随着活性氧化铝用量增加,2种浓度磷酸盐平衡浓度逐渐降低,当活性氧化铝剂量分别增加到3g/L和160g/L时,污水中磷去除率均达90%以上;在pH 值为5.0,温度为40 时的吸附条件下,活性氧化铝对2种浓度模拟污水中磷的吸附效果最好;穿透曲线表明,采用1.0L/d低流速条件下,连续运行20h时间,180mg/L磷酸盐的穿透时间为16h;对于2mg/L的磷酸盐废水,在3.8L/d流速下连续运行16d时发生穿透;利用扫描电镜(SEM),红外光谱(FTIS)和 X衍射光谱对吸附前后活性氧化铝表面特征分析,证明了活性氧化铝对磷酸盐存在化学吸附作用。因此利用活性氧化铝可实现对污水中不同浓度磷酸盐的吸附作用。

磷是全球最稀缺的元素之一,而富含磷素的废水排入地表水体后会带来严重的环境问题[1]。作为富营养 化的主要限制因子,磷控制对于富营养化水体修复具有重要意义 ,因此许多国家对于磷的排放都制定了严格 规定。污水中磷的含量范围较广,以排入地表河流的城市尾水为例,磷含量一般在 2mgL 以下 ,畜禽废水
中磷浓度一般为 60~100mgL 200mgL ,而某些工业废水中磷浓度常达 以上5-6 ,因此实现废水中不同浓 度磷酸盐的去除需倍受关注。目前,多种方法已应用于废水中磷素的去除,包括电化学沉淀法、生物法 吸附法等 。其中吸附法被认为是一种环境友好、耗能低的有效除磷方法,其原理主要是利用某些多孔或大 比表面积的固体物质对水中磷酸根离子的吸附亲和实现废水的除磷过程。活性氧化铝具有多孔结构,比表面积较大,是一种吸附性与化学稳定性较好的固体吸附剂,目前多集中于单一磷 浓度的静态研究 ,而缺乏活性氧化铝对不同磷浓度及动态条件下除磷效果及吸磷机制表征 。因此,针对 高、低2种不同浓度磷模拟废水进行研究,明确活性氧化铝在不同条件下的磷吸附效果及机制,以期为活性氧化铝除磷工艺提供理论参考。

 材料与方法
 
1.1 供试材料
 
试验所用活性氧化铝是将铝矾土原料经过化学处理,除去硅、铁、钛等氧化物而制得的氧化铝原料,Al2O3含量在99%以上,其平均孔径为7.39nm,孔容0.508ml/g,比表面积约为191.06m2/g。活性氧化铝粉碎过60目筛子,放入110 烘箱中,烘24h后放入干燥器中冷却至室温备用。研究所采用的含磷废水为浓度 2,180mg/L的模拟含磷废水,由磷酸二氢钾配制,用 HCl和 NaOH调节 pH。
 
1.2 试验设计
 
设置不同试验条件(活性氧化铝用量、H、温度等),研究活性氧化铝对2种磷浓度(2,180mg/L)模拟废水的除磷效果。设置连续流动穿透试验,在进水流量分别为3.8,1.0L/d条件下确定磷吸附的穿透曲线。穿透装置如图1,吸附柱采用有机玻璃管制成,直径为2cm,高30cm,距离底部和顶部2cm 处各安装1块带孔筛板,以阻止活性氧化铝的漏出,活性氧化铝的添加高度为25cm。穿透装置下部进水,上部出水,采用蠕动泵提供动力。
 
1.3 测定项目和方法
 
总磷(TP)采用钼酸铵分光光度法测定;比表面积采用快速比表面与孔径分布测试仪(MicromeriticsASAP2000)测定;样品的红外光谱采用红外光谱仪(TENSOR27)分析;X-衍射光谱采用 X 衍射光谱仪(LD1-Y-2000)分析。
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结果与分析
 
2.1 不同试验条件对活性氧化铝除磷效果的影响
 
2.1.1 活性氧化铝用量对除磷效果的影响   活性氧化铝剂量对 2种浓度磷酸盐变化影响见图 2。随着活性
 
氧化铝用量增加,2种污水中磷酸盐的平衡浓度随氧化铝用量的增加而降低,当活性氧化铝剂量分别增加到3,160g/L时,磷酸盐的去除率都达到90%以上,以后随活性氧化铝用量的增加,磷酸盐的平衡浓度变化不明显。这是因为增加活性氧化铝的剂量提供了更大的吸附表面积,并且在前期主要表现的化学吸附可使活性氧化铝表面分子与水结合生成氢氧化铝,进而与磷酸根离子发生离子交换,生成磷酸盐,而后期活性氧化铝表面的活性因子逐渐被磷酸盐反应或覆盖,从而导致吸附速率降低。
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2.1.2 pH 对活性氧化铝吸磷效果的影响 pH 值的变化对吸附剂从污水中去除污染物的影响较大, 值的 pH 不同影响吸附剂表面电荷、吸附质的离子化程度以及吸附质的形态。本研究中pH 值对活性氧化铝吸附磷影响见图3,该试验条件为T=25 ,2种浓度磷酸盐废水中分别加入活性氧化铝量为160,3g/L,转速120rmp。可以看出,控制其他条件相同,随吸附时间的增加3个处理的磷去除率都有所提高,并且2种模拟含磷废水均在 pH=5 时,活性氧化铝对磷去除率最高, 的条件下除磷效果最差。说明在碱性条件下不利于活性氧 pH=9
化铝对污水中磷的去除 ,原因在于溶液的 pH值影响活性氧化铝表面电荷,酸性条件会使活性氧化表面带 更多的正电荷,有利于对磷酸盐的吸附,而在碱性条件下则正好相反 [15] 中对于低浓度的磷酸盐废水, 。图 3 pH 值变化对磷的去除率影响明显。当 pH=5 时,磷去除率最高达 时,磷去除率保持在 20% 94.7%pH=9
下。而在高浓度的磷污水中,不同 pH 对磷的去除率变化相比低浓度变化幅度小, 时,磷去除率相对较 pH=9 高,并维持在 45% 以上, 时磷去除率可达 80% 以上。可见,废水酸碱性影响活性氧化铝对磷的吸附效 pH=5 果,偏酸性的pH 有利于活性氧化铝对磷的吸附去除,而对于低浓度条件下碱性含磷废水,不利于使用活性氧化铝对磷的去除。
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2.1.3 温度对活性氧化铝吸磷效果的影响   图 4是温度对活性氧化铝吸磷效果影响的试验条件为 pH=
5.0,高、低2种磷浓度废水中加入活性氧化铝用量分别为 160,3g/L,转速 120rmp。对于初始磷浓度为 2mg/L的污水,在60min的反应时间内,3个温度处理均是在吸附 60min时磷的平衡浓度最低,在 40 条件下,磷的去除率最大,达到86.7%,10 条件下,吸附20min后,磷去除率保持在60%以下,且变化不明显。磷初始浓度为180mg/L时,磷的去除率同样以40 条件下最高,可达80%以上。温度为10 时,磷酸盐的去除率保持在65%~67%之间,相比25,40 2个温度下活性氧化铝对磷酸盐的去除率影响不大,说明在高浓度污水(180mg/L磷含量)除磷研究中,吸附反应进行迅速。上述研究表明,活性氧化铝对磷的吸附属于吸热反应,随着溶液温度的升高,会导致污水中磷扩散能力提高,有利于活性氧化铝内部孔隙对磷的吸附作用,因此提高了污水中磷酸盐的去除。但由于2种浓度的磷酸盐废水在25,40 温度条件下对活性氧化铝除磷影响不大,因此从除磷工艺的能耗考虑,温度控制在25 较为合理。

2.2 穿透试验中活性氧化铝除磷效果
 
穿透试验在T=25 条件下进行(图5),磷含量为2mg/L的模拟污水流量设定为3.8L/d,连续运行时间20d。前16d出水中磷酸盐浓度缓慢增加,但出水浓度保持在0.6mg/L以下,以后出水磷酸盐浓度突然增大,发生穿透现象。在180mg/L含磷污水的穿透试验中,设定流量为1L/d,随着穿透试验的进行,磷的浓度同样会逐渐增大,16h前出水中磷酸盐的浓度基本维持在60mg/L以下,而以后出水磷酸盐的浓度突然增加。
从2种浓度磷酸盐的穿透曲线可以看出,在穿透前,磷酸盐的去除率基本维持在60%以上。因此对于不同浓度的含磷废水可以通过流量调整实现较高的磷去除。
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2.3 活性氧化铝吸磷前后的 SEM
 
为了观察磷吸附前后活性氧化铝颗粒的表面形态变化,利用扫描电子显微镜( )对活性氧化铝吸磷前 SEM 后表面进行电镜扫描(样品取得的试验条件: ,磷酸盐初始浓度 / ,转速 T=25 180mgL 120rmppH=5.0 吸附时间为 60min 后得到的样品,下同)。通过吸附前后活性氧化铝表面形态(图 )比较发现,吸附后的扫描
照片有絮状物出现,表明吸附剂颗粒的孔隙覆盖着磷酸盐吸附质。
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2.4 活性氧化铝磷吸附前后的光谱分析
 
从活性氧化铝吸磷前后的红外光谱(图7)可以明显看出,在低频区1350,1750cm-1附近有2个较强特征吸附峰,当活性氧化铝吸附磷酸盐后,该处的振动发生了移动。因此该红外图谱表明活性氧化铝与磷酸盐存在结合作用。活性氧化铝吸磷前后的 X-射线衍射光谱在不同角度的光强,表现出活性氧化铝有特定的化学组成。可以看出磷吸附后活性氧化铝衍射谱线从 10°至 80°扫描角度存在波峰偏移。说明氧化铝对磷的静电吸附作用改变了氧化铝的化学组成峰强度,原因在于磷酸盐与氧化铝的 Al3+ 以及氧化铝颗粒之间的静电吸引作用,导致氧化铝化学组成的吸附谱图发生改变,表征了吸附后磷酸盐在活性氧化铝表面的存在。

3 结 论
 
 
研究表明,活性氧化铝可作为去除不同浓度磷酸盐的有效吸附剂使用。对于高、低浓度的磷酸盐废水可通过控制活性氧化铝用量等条件,使污水中磷的去除率达到90%以上。研究中酸性pH 值和高温条件有利于活性氧化铝对磷的吸附去除。对不同浓度磷酸盐废水的穿透流量控制可以有效地去除废水中磷酸盐,穿透前去除率可达60%以上。活性氧化铝磷吸附的表征研究确定了活性氧化铝对磷的吸附机制主要是PO3- 与 Al3+4之间的化学吸附作用。本研究还有待进一步和其他吸附剂进行吸磷能力比较,开展活性氧化铝的吸磷动力学研究,并且有必要利用实际废水代替人工模拟废水来验证活性氧化铝的实际应用效果。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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