复合分子筛的水处理

复合分子筛的水处理

    由于世界人口增长和社会经济的发展,大量生活污水和工业废水排入天然水体,污染了水源地,导致水体富营养化,使可使用的水资源日益减少.目前,去除水中氨氮的方法主要有物理化学法和生物法.其中物理化学法包括吹脱法、电吸附法、超声波法等,而生物脱氮法主要是利用微生物的硝化、反硝化作用去除多种含氮化合物[1].吹脱法适合处理高浓度氨氮废水,但去除率受温度的影响[2];生物法工艺较复杂,运行麻烦,费用较高,受温度和有毒物质的影响较大[3];膜生物反应器处理效果好,流程简单,设备少,占地小,但处理量较小[4]; F. F复合分子筛是一种新型的材料,有很好的氨氮去除效果,并且价格便宜,使用方便,可重复使用[5-10].本研究通过实验室的模拟,研究了分子筛对水中氨氮的去除效果及其影响因素,并对吸附机理进行了初步探讨,为分子筛除氨氮的可行性和实用性提供了一定的依据.
    1·材料与方法
    1·1试验材料
    新型F.F复活分子筛,以下简称分子筛,比表面积大于800m2,粒径一般为0·4~2·0mm,堆积密度为0·8~1·0 g/cm3.通过x衍射测定,这种分子筛是一种铝硅酸盐矿物,主要含有S,i A,l Na, Ca等元素以及少量的Sr,Ba,K,Mg等金属.
    1·2　试验方法
    采用静态试验的方法,利用恒温振荡器对分子筛的吸附性能和影响因素进行分析.
    处理水:由氯化铵与去离子水配置;
    测定方法:纳氏试剂比色法(GB7479—87).
    2·结果与分析
    2·1分子筛粒径大小对氨氮去除效果的影响
    分别选取3种粒径的分子筛各4 g,向其中加入100mL氨氮浓度为5mg/L的模拟污水,然后放置在恒温振荡器内,在室温、转速为120 r/min的条件下进行震荡,得到的静态吸附试验结果见图1.
             
    由图1可知,分子筛对水中氨氮的去除效果,随粒径的增大而减少.粒径小于0·9mm时,去除率达80%;当粒径为0·9~2·0mm时,去除率为78%;当粒径大于2 mm时,去除率仅为70%.分子筛去除氨氮主要是依靠分子间色散力和大量的孔道,当粒径较小时,相同质量分子筛比表面积越大,孔径也更多,所以去除率同使用较大粒径时相比要高.
    2·2分子筛质量对氨氮去除效果的影响
    将不同质量分子筛沸石加入100mL, 5mg/L模拟含氨氮水中,放入恒温振荡器内,结果见图2.
            
    由图2可知,分子筛对水中氨氮去除效果随着分子筛质量的增加而增加,初始变化较快,但投加量越大,去除率的变化率越小.分子筛质量较小时,分子筛所包含的孔隙和含有的Na+是有限的,虽然吸附了大量的NH+4,但分子筛也达到饱和,并和溶液中的NH+4达到吸附平衡.当分子筛质量达到4 g时,去除率为80%,去除效果基本稳定,此时再添加分子筛,去除率虽然略有增加,但已经不能对剩余的NH+4形成有效吸附.
    2·3停留时间对氨氮去除效果的影响
    在100mL, 5mg/L的模拟污水中加入4 g分子筛,测定停留时间对氨氮去除率的影响,结果如图3.
            
    从图3可知,氨氮的去除率初始变化较大,在10min左右时达到52%,停留时间长,去除率随之升高,但变化幅度开始变小,到60min时达到80%,此后虽然略有增加,但变化较小.分子筛与NH+4的吸附过程需要一定时间来完成,反应初始,水中NH+4的含量较高,更容易进入分子筛的孔隙,随着反应时间的增加,溶液中NH+4的数量和分子筛吸附位逐渐减少,从剩余的NH+4被吸附的几率有所下降,直至反应达到平衡.
    2·4pH值对氨氮去除效果的影响
    配置若干份浓度为5mg/L的模拟污水,用稀盐酸和氢氧化钠调节pH值,分别加入4 g分子筛,测定不同pH值对氨氮去除效果的影响,结果如图4.
             
    图4中,氨氮去除率随溶液pH值的改变而变化,弱酸和碱性条件下,氨氮的去除效果最佳,都达到了90%以上.在弱酸性条件下,分子筛孔径和通道中的杂质被溶解,提高了氨氮的吸收效果,但酸性增强后,分子筛的孔径结构被破坏,导致吸附量下降.而在碱性条件下,由于存在大量的OH-,NH+4易与OH-形成NH4OH,最后形成NH3挥发出去.
    2·5温度对氨氮去除效果的影响
    配置若干份100mL, 5mg/L的模拟污水,分别加入4 g分子筛,在不同的温度下进行恒温振荡,测定温度对氨氮去除效果的影响,结果如图5.
            
    图5显示了氨氮的去除效果随温度变化趋势.随温度增加,氨氮的去除率逐渐上升,当温度为20℃时,分子筛对氨氮的去除率为80%;当温度升高到60℃时,氨氮的去除率达到84%.温度升高后溶液中布朗运动增大,氨离子活度增强,更利于进入分子筛表面的孔径和通道,同时温度升高,水中氨更易挥发,导致氨氮去除率的上升.
    3·分子筛机理分析
    分子筛表面具有色散力和负电荷,通过色散力吸附溶液中的NH4+,降低NH4+和分子筛的表面距离,然后表面负电荷与NH4+产生静电吸附力,吸引阳离子前来中和负电性.并且分子筛有大量的孔隙和孔道,比表面积大,活性高,在毛细力作用下,NH4+进入分子筛的孔道内,并与Na+发生离子交换作用,从而达到去除水中氨氮的目的[5].
    4·结　论
    分子筛对水中氨氮的去除率随着分子筛粒径的减小而增加;分子筛质量与氨氮的去除率呈正相关,当分子筛质量为4 g时,对100mL, 5mg/L的模拟氨氮水的去除率达到了80%,质量超过4 g后随质量的增加去除率变化较小;氨氮去除率随停留时间的增加而增加,反应到40 min时基本达到了吸附平衡;在弱酸性和碱性条件下氨氮去除率有所增加,均超过90%;氨氮的去除效果随温度的升高而上升.
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