沸石负载高锰酸钾去除低浓度氨氮

2017-03-15 08:06:26 7

  随着排入水体的含氨、磷废水增加,氨氮和藻类、藻毒素污染已成为我国水源水质的主要污染因素[1,2]。氨氮受微生物作用可分解成亚硝酸盐氮,再进一步分解净化。但水中的亚硝酸盐氮过高时会与蛋白质结合生产致癌物亚硝胺,威胁人类健康[3]。藻细胞衰亡或破裂释放出的微囊藻毒素也对人体健康构成了严重威胁[4]。对地表水中低浓度氨氮及藻毒素的有效去除对饮水安全具有重要的意义。

  去除氨氮的方法包括物理化学法、化学法、生物法,离子吸附交换法因其不受温度限制备受关注[1,5]。沸石是常见的吸附填料,是一类骨架结构的多孔性含水铝硅酸盐矿物,具有特殊的离子交换特性[5,6],可与环境中的氨根离子发生交换,对氨氮具有较好的去除效果。天然沸石对氨氮的吸附性能良好[7-11],通过盐、适宜高温、微波等改性可使沸石比表面积和总孔容增大而提高对高、低浓度氨氮的吸附能力,而通过酸、碱改性并未增加吸附量,反而有降低的趋势[12-17]。但少见强氧化剂高锰酸钾对沸石改性的研究。

  在藻类和藻毒素去除方面,文献[2]采用高锰酸盐复合药剂预氧化技术除藻取得了良好的效果。文献[18]研究认为,沸石负载高锰酸钾对藻及藻毒素具有较好的去除效能,其除藻机理及控制藻毒素的机理一方面由于沸石对藻毒素的吸附,另一方面高锰酸钾强氧化性对藻类游动性抑制,并促进生物集合物的释放,高锰酸钾氧化藻毒素使其丧失毒性。高锰酸钾负载于沸石表面可以较缓慢、均匀地释放,避免浓度过高引起藻细胞破裂。

  以上研究或考虑氨氮的去除,或考虑藻类、藻毒素的去除,而未考虑同时处理两者的效能。本文以文献[18]为基础,系统研究了沸石负载高锰酸钾后对氨氮的吸附等温线、吸附动力学及pH对吸附的影响,考察能否得到可同时有效降低微污染水中氨氮及藻类、藻毒素的吸附材料。

  1 实验材料与方法

  1.1 实验材料

  实验所用沸石颗粒为产于辽宁锦州的天然斜发沸石颗粒,离子交换量为30~50g/kg。粉碎至粒径0.5~1.5mm,化学成分以SiO2 为主,占73%,Al2O3占16%。用去离子水洗涤去除杂质,烘干备用。

  实验用主要化学试剂:高锰酸钾、氯化铵、酒石酸钾钠、碘化钾、碘化汞、氢氧化钠和盐酸等,分析纯。

  主要仪器:电动搅拌器、SHA-B水浴恒温振荡器、分光光度计、分析天平等。

  1.2 沸石负载高锰酸钾试剂制备

  称取一定量的的天然沸石颗粒,按1∶30固液比浸泡于一定浓度的高锰酸钾溶液数小时,经过滤、烘干,获得负载高锰酸钾的沸石颗粒(下称复合沸石)备用。

  1.3 实验方法

  本研究目的是针对水厂氨氮超标的提供应急备选技术,且考虑针对城市污水处理厂出水的回用可能。微污染地表水中的氨氮多不超过10mg/L,城市污水二级生物处理后氨氮一般不超过20mg/L[16],故模拟水氨氮浓度在2~20mg/L。氨氮的测定采用纳氏试剂光度法。用自来水配置1000mg/L氨氮储备液,稀释为若干浓度梯度使用液。

  1.3.1 吸附等温线的检测

  取2组250mL锥形瓶,一组分别加入0.3g天然沸石,另一组分别加入0.3g复合沸石,加入50mL浓度为2、4、6、8、10、15和20mg/L的模拟含氨氮微污染水,放在水浴恒温振荡器中,在25℃条件下中速振荡24h,以达到吸附平衡,过滤后按纳氏试剂光度法测定吸附后溶液的平衡浓度。

  平衡吸附量计算式:

  式中:qe为吸附容量,mg/g;Ce为平衡浓度,mg/L;m为沸石投加量,g。

  1.3.2 复合沸石吸附氨氮动力学研究

  考虑微污染水源水氨氮浓度多在1~10mg/L[16],因此,动力学研究着重考察了复合沸石对浓度为10mg/L的氨氮溶液的动力效应。配制10mg/L的氨氮使用液,取1000mL使用液于1000mL大烧杯中,加入2g复合沸石;快速磁力搅拌,实验开始后5、10、15、20、25、30、40、60、120、180、240、300、360、480和560min各取一试样,按纳氏试剂光度法测定吸附后氨氮溶液的浓度。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  1.3.3 pH值对复合沸石吸附效能的影响

  分别取初始浓度为10mg/L的氨氮溶液50mL于9个加有0.3g沸石的250mL锥形瓶中,用NaOH和HCl溶液调节pH,反应液初始pH分别为2、4、6、6.5、7、7.5、8、10和12,然后置于25℃恒温水浴振荡器,中速振荡40min,测定氨氮溶液浓度变化。


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