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4A分子筛处理高浓度氨氮废水
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4A分子筛处理高浓度氨氮废水

2019-09-21      阅读:
采用水热法合成了4A分子筛,并讨论了合成过程中的影响因素.用粉末X射线衍射(XRD)对产物进行了表征.以水溶液中氨氮为目标,用4A分子筛对其进行吸附处理;通过一系列对比实验,评价所合成的4A分子筛及其工业品对高浓度模拟氨氮废水中氨氮的吸附性能.结果表明,所合成的4A分子筛对水中氨氮的吸附效果远好于工业品4A分子筛;并且吸附效果与4A分子筛投加量有关;在氨氮量为100ml×1000mg·l-1时,沸石的最佳投加量是3g,去除率可达到76.50%.此外,吸附剂对氨氮的对数吸附等温线符合Langmuir方程,表明吸附为化学单分子层吸附,等温线的斜率为0.4766,在0.1—0.5之间,从理论上表明4A分子筛可作为吸附剂用于高浓度氨氮废水的处理.

近年来,我国水体严重污染事件频发,极大地影响社会和经济发展.水质安全问题越来越引起人们的重视.减少水体环境的污染已成为当今世界的焦点.水体污染物包括有机物、重金属和氨氮等无机物.
对有机污染物处理主要是通过氧化过程实现,其中用二氧化钛基光催化剂催化处理研究得很多[1-2].对重金属污染可采取吸附法处理[3].
无机氨氮化合物是造成水体富营养化的主要污染物之一,水体中过量的含氮化合物会使藻类等浮游生物大量繁殖,水中的溶解氧锐减,鱼类大量死亡,水质变坏,以至“赤潮”出现.目前,实际应用于氨氮废水处理的主要方法有:生物硝化法[4]、吹脱法[5]和化学沉淀法[6]等.生物硝化法将氨氮转化为硝酸盐,一般需要12—28d.该法耗时占地,当氨氮浓度超过50mg·l-1时,自然硝化作用受抑制,水系自净化能力降低;若氨氮浓度超过300mg·l-1,生化处理工艺的利用受到限制.另外,由于温度变化,尤其是在北方,冬季的气温很低,生物法基本不适用.吹脱法适用于高浓度氨氮废水处理,消耗能源,尤其处理中低浓度氨氮废水时,能耗更大,相应的运行成本也大,不利于国家节能减排总体目标的实现.化学沉淀法处理费用高,日常维护困难,限制了其广泛应用.与生化处理相比,物化处理脱氨氮技术可以实现氨氮废水的深度处理,并且操作弹性大、效率高、投资省、占地小.其中沸石离子交换法,因沸石对NH4+离子的强选择吸附性能而颇受国内外学者的关注.
分子筛具有稳定的[(Si,Al)O4]四面体结构,其晶体结构中有规整而均匀的孔道,有大的比表面积和很大的吸附容量,被认为是最有应用前景的去除氨氮吸附剂[7-9].探讨分子筛对水中低浓度氨氮吸附已有不少文献工作报道[10-11].然而到目前为止关于分子筛吸附高浓度氨氮的报道并不多.
本文以4A分子筛为吸附剂,通过模拟条件,研究4A分子筛吸附高浓度氨氮的效果,得出4A分子筛吸附水中氨氮的最佳条件,并探讨其吸附机理,为分子筛去除废水中高浓度的氨氮提供理论依据.
1 实验部分
1.1 水热法合成4A分子筛
 将氢氧化铝按一定配比溶解在氢氧化钠溶液中,得到浓度为0.76mol·l-1的铝酸钠溶液.再按SiO2/Al2O3=2的配比加入二氧化硅(纯度为96.4%),调节其碱度,搅拌约30min至溶液为透明状.装入反应釜中置于90℃烘箱中反应2h,取出、过滤、洗涤、干燥,得到样品.保留母液以备回收利用.

1.2 4A分子筛吸附高浓度氨氮
模拟氨氮废水的配制 取氯化铵3.819g溶于1L水中,得到氨氮废水浓度为1000mg·l-1.分子筛
吸附前后氨氮的浓度用甲醛法测定[12].
氨氮废水的吸附试验 准确称取1.0g4A分子筛和100ml模拟废水若干份,分别放入一系列250
ml的锥形瓶中,密封、搅拌,速率为300r·min-1,静置,取上层清液,用甲醛法测氨氮的残留浓度C以及初始浓度C0,按下式计算沸石分子筛对氨氮的吸附量和氨氮去除率:

式中,Q(mg·g-1)为吸附量;C0(mg·l-1)为氨氮的初始浓度;C(mg·l-1)为吸附平衡后试液中残留的氨氮浓度;V(l)为废水体积;W(g)为4A分子筛投加量.
1.3 吸附动力学研究
准确称取若干份4A分子筛,每份1.0g,分别置于250ml锥形瓶中,加入一定浓度的氨氮溶液100ml,在35℃下置于300r·min-1的恒温搅拌器中搅拌,每隔一定时间后,静置,取上层清液,测其氨氮的浓度,计算样品对氨氮的吸附量,绘制吸附曲线.

2 结果与讨论
2.1 影响4A分子筛纯度及产率的合成因素
在合成4A分子筛的实验中,反应混合物的配比是影响4A分子筛产品纯度的主要因素,配比不同
得到的产物不同.只有反应物的配比符合合成4A分子筛的严格要求,才能获得高质量的4A分子筛.图1是分子筛的XRD谱图.从图1可以看出,当硅铝比过高时,合成产物中会有P型杂晶的出现(图1b),产品质量不纯.当硅铝比较低时,虽然产品中没有杂晶出现,但产率较低,影响产量.通过实验发现,当原料配比为3Na2O∶Al2O3∶2SiO2∶150H2O时,合成的4A分子筛产率和纯度最高(图1a),其衍射峰的位置和标准4A分子筛(PDF39-0222)基本相同.而且没有杂质峰的出现,说明合成的分子筛纯度比较高.与工业用4A分子筛(图1c)相比,本实验合成的高纯分子筛的衍射峰较尖锐,结晶度好.
另外,溶液的pH值对4A分子筛的产率也有很大影响.pH值过高时会有P型分子筛出现;碱度偏低时,产物中出现方钠石杂晶[13].通过实验发现水钠比在50时,4A分子筛的产率最高.


2.2 实验室制备的高纯4A分子筛、普通4A分子筛与工业用4A分子筛吸附性能比较 
实验室制备的高纯4A分子筛(原料配比为3Na2O∶Al2O3∶2SiO2∶150H2O)、普通4A分子筛与工业
用4A分子筛吸附性能比较的实验条件保持一致.具体如下:向100ml浓度为1000mg·l-1的氨氮水溶液中分别加入1g高纯4A分子筛、普通4A分子筛与工业用4A分子筛,搅拌2h,速率为300r·min-1,静置,取上层清液,测其氨氮含量.分子筛对氨氮吸附量由初始浓度C0和平衡浓度C之差所得.结果如表1

所示.表1可见,实验室合成的高纯4A分子筛对氨氮的去除率为50.4%.吸附量为50.4mg·g-1,普通4A子筛对氨氮的去除率为36.0%.吸附量为36.0mg·g-1,工业用4A分子筛对氨氮的去除率为26%,吸附量为26mg·g-1.与工业用分子筛相比,合成的4A分子筛吸附性能明显增强.且高纯4A分子筛的吸附效果最佳.


2.3 分子筛加入量对氨氮去除率的影响
室温下,向100ml浓度为1000mg·l-1的氨氮水溶液中加入不同量的分子筛,搅拌2h,静置30min,
取上层清液进行测定,吸附结果如图2所示.结果表明,分子筛投加量越大,氨氮去除率越高.但是当分子筛的投加量大于3.0g时,氨氮去除率趋于平缓.综合去除率和沸石加入量,我们得出在氨氮量为100ml×1000mg·l-1时,沸石的最佳投加量是3g.此时的去除率为76.50%.与以往氨氮废水吸附的文献报道相比[14-15],本文中使用4A分子筛吸附氨氮的去除率高、成本低、经济效益好.

2.4 吸附等温线
在室温,搅拌,投加量均为10g·l-1和pH为7—8的条件下,用合成的4A分子筛对氨氮浓度在
100—1100mg·l-1之间变化的模拟废水进行吸附处理,测得各试验点在达到吸附平衡时,溶液中氨氮的初始浓度C0及平衡浓度C与氨氮的吸附量Q的关系,结果如图3所示.

将上述所得数据取对数,绘制对数吸附等温线(图4)和朗格缪尔吸附等温线(图5).
从图4可以得出,4A分子筛对氨氮的对数吸附等温线基本上成直线关系.对直线进行回归,得到此直线的方程为y=0.4766x+0.5326,直线的斜率为0.4766,根据文献[16]报道该方程斜率在0.10—0.50之间时,吸附剂易于对该物质的吸附,故,4A分子筛对氨氮易于吸附,可以作为氨氮的吸附剂.
图5是平衡浓度C与吸附量Q的比值和平衡浓度C的关系式,从图5看出,实验的数据对于Langmuir公式也符合得很好,说明吸附基本是单分子层吸附.由Langmuir吸附等温式计算得出,在平衡浓度相当高的条件下,4A分子筛的氨氮吸附量最大为51.4mg·g-1.

3 结论
(1)根据XRD谱图可得,合成4A分子筛的最佳条件为3Na2O∶Al2O3∶2SiO2∶150H2O,此时合成的4A分子筛产率和纯度高.通过合成的普通4A分子筛,高纯4A分子筛和工业用4A分子筛吸附性能的比较,合成的高纯4A分子筛吸附效果最佳.
(2)通过氨氮吸附实验,得出一定浓度的氨氮废水中4A分子筛投加量越大,氨氮去除率越高,但是当分子筛的投加量大于一定量后,氨氮去除率趋于平缓.在氨氮量为100ml×1000mg·l-1时,沸石的最佳投加量是3g,此时的去除率为76.5%
(3)4A分子筛是良好的氨氮吸附剂,每克吸附量可达到51.4mg·g-1,吸附机理符合单分子层
吸附.

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