稀土改性凹凸棒土对低浓度磷的吸附性能

李迎春, 董良飞, 仝驰, 仲慧赟, 鲁光辉. 稀土改性凹凸棒土对低浓度磷的吸附性能[J]. 环境工程学报, 2021, 15(10): 3214-3222. doi: 10.12030/j.cjee.202106129
引用本文: 李迎春, 董良飞, 仝驰, 仲慧赟, 鲁光辉. 稀土改性凹凸棒土对低浓度磷的吸附性能[J]. 环境工程学报, 2021, 15(10): 3214-3222. doi: 10.12030/j.cjee.202106129
LI Yingchun, DONG Liangfei, TONG Chi, ZHONG Huiyun, LU Guanghui. Performance of rare earth modified attapulgite on the adsorption of low concentration phosphorus wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(10): 3214-3222. doi: 10.12030/j.cjee.202106129
Citation: LI Yingchun, DONG Liangfei, TONG Chi, ZHONG Huiyun, LU Guanghui. Performance of rare earth modified attapulgite on the adsorption of low concentration phosphorus wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(10): 3214-3222. doi: 10.12030/j.cjee.202106129

稀土改性凹凸棒土对低浓度磷的吸附性能

    作者简介: 李迎春(1996—),女,硕士研究生。研究方向:污水处理技术。E-mail:443087451@qq.com
    通讯作者: 董良飞(1972—),男,博士,教授。研究方向:水污染控制工程。E-mail:dlf@cczu.edu.cn
  • 基金项目:
    江苏省研究生科研与实践创新计划(SJCX21-1193);江苏省研究生科研与实践创新计划(SJCX21-1192)
  • 中图分类号: X703.1

Performance of rare earth modified attapulgite on the adsorption of low concentration phosphorus wastewater

    Corresponding author: DONG Liangfei, dlf@cczu.edu.cn
  • 摘要: 为提高凹凸棒土对污水中低浓度磷的吸附能力,制备了稀土改性凹凸棒土(Nd-ATP、Ce-ATP、Y-ATP、La-ATP、Pr-ATP),且将其用于低浓度含磷(TP=1 mg·L−1)废水的吸附处理,比较了5种吸附剂的除磷性能、吸附动力学和等温线模型,以及改性前后的结构组成和表面基团变化。结果表明:当pH为3时,改性凹凸棒土除磷效果最好,TP去除率为84%~98%;共存HCO3对吸附剂除磷有较强的抑制作用,SO24 和Cl对TP吸附的影响几乎可以忽略;准二级动力学模型和Langmuir等温线模型能较好描述该吸附除磷过程。其中,pH、投加量、共存阴离子对Y-ATP除磷效果影响最小;Y-ATP对TP的吸附容量最大,为12.94 mg·g−1。稀土改性凹凸棒土吸附剂除磷主要遵循球内络合机理,其中吸附剂表面的羟基基团起关键作用。
  • 水中硬度超标将对日常生活、工业生产造成一定影响,如洗涤剂去污能力降低、锅炉结垢、受热不均,严重时甚至引发爆炸;高硬水还直接威胁人类健康,如导致胃肠功能紊乱,增加患肾结石的风险[1-2]。目前,水的软化方法主要有化学沉淀、离子交换、膜分离和吸附等[3-6]。其中,基于结晶反应的化学沉淀法,其具有操作简单、去除率高、易与净水工艺相结合,特别是软化剂石灰来源广、价格低,已有上百年应用历史,至今仍是最常用的软化技术[7]

    过饱和度S是结晶反应的推动力。高硬水由于Ca2+和/或Mg2+浓度高,相应软化所需CO23和/或OH投加量大,导致结晶体系过饱和度S较高。此时若结晶体系为均相结晶体系,则成核速率快,结晶产物数量密度大、颗粒细碎,部分结晶产物沉降性能差,难以实现固液分离,即所谓微晶[8]。微晶的出现不但降低软化效果,而且增加体系出水浊度,需投加大量混凝剂进行混凝促沉才能被去除,由此会产生大量难以脱水的沉淀污泥。

    以流化床结晶为代表的诱导结晶软化技术,通过外投晶种,将均相结晶调控为以晶种表面结晶为主的非均相结晶,结晶产物粒径可控,加上流化床自身优良的固液分离性能,可有效降低出水微晶含量,应用于高硬水软化优势明显[9-11]。但诱导结晶过程将伴随发生均相结晶,微晶的产生仍不可避免,原水硬度较高时尤为明显,导致软化效果有限[12]。笔者所在的课题组前期开展了CaCO3诱导结晶体系中均相与非均相结晶竞争行为研究,发现体系均相结晶比例随过饱和度的增加而增加,相应微晶产率也会提升[13]。因此,控制诱导结晶体系微晶产率,成为提升高硬水软化效果的关键。

    提高反应器内诱导结晶活性位点体积密度可强化体系诱导结晶,达到抑制均相结晶、降低微晶产率效果[1, 14-15]。减小晶种粒径和增加晶种投量均可有效提升诱导结晶活性位点体积密度,但研究者在诱导结晶软化中采用的晶种粒径和投加量差异往往很大。NASON等[16]采用11 μm方解石为晶种,投加量为8~70 mg·L−1;MERCER等[17]采用0.43~3.98 μm方解石为晶种,投加量为100~500 mg·L−1;CHEN等[18]采用200~400 μm石英砂为晶种,投加量为375 g·L−1;顾艳梅等[19]采用200~500 μm砂石为晶种,投加量为225 g·L−1;胡瑞柱等[20]采用100~250 μm石榴石为晶种,投加量为200 g·L−1。上述研究均采用流化床为反应器,但晶种粒径相差上千倍,投加量相差甚至上万倍,这可能对微晶产率和软化效果造成影响。因此,有必要对诱导结晶中微晶的形成与控制进行深入研究,从而为晶种的选择提供理论依据。

    考虑到流化床投放晶种粒径过小时容易流失[21-22],为最大程度减小晶种粒径并避免流失,本文选择常用晶种材料中密度最大的Fe3O4为晶种。通过改变Fe3O4投加量,研究高硬水诱导结晶软化中微晶的形成与控制,主要考察了晶种投加量对微晶产率和软化效果的影响,探讨了微晶与结晶体系上清液浊度的关系,分析了聚合氯化铝(PAC)对结晶体系出水的除浊效果。此外,还对诱导结晶体系出水pH的变化进行了研究,对结晶产物的晶型进行了分析。本研究成果可为提升高硬度结晶软化效果和降低沉淀污泥的产量提供参考。

    高硬度水采用CaCl2配制,沉淀剂采用Na2CO3,均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司产品。PAC为分析纯,购自天津光复精细化工。实验用水由Millipore Milli-Q Gradient水净化系统(Billerica,MA)制备,电阻率为18.2 MΩ·cm,pH=6.6~6.8。CaCl2溶液和Na2CO3溶液均现用现配,浓度分别为5 mmol·L−1和0.5 mol·L−1

    Fe3O4购自宝能环保科技公司,平均粒径为45 μm。Fe3O4首先用自来水冲洗至上清液基本清澈,然后8%稀硝酸溶液浸泡除去锈渍和杂质,再用超纯水多次冲洗,烘干至恒重后密封备用。

    结晶反应采用六联搅拌装置进行。往5个1 L烧杯中分别倒入500 mL的CaCl2溶液后投放Fe3O4,投加量分别为0、0.5、2、5、10 g·L−1,其中0 g·L−1称对照组,其余为实验组。烧杯置于六联搅拌装置,500 r·min−1搅拌5 min形成晶种悬浊液。

    调整搅拌转速为300 r·min−1,同时往每个烧杯中加入Na2CO3溶液2.5 mL(对应C/Ca摩尔比为0.5),结晶反应开始启动,反应时间10 min。反应结束后静沉30 min,取20 mL上清液2份,一份测定Ca2+浓度Ca、pH和浊度,另一份经0.45 μm滤膜过滤后,测滤液Ca2+浓度Cb,取沉淀结晶产物进行SEM观测和XRD分析。

    在5 L烧杯中投入CaCl2溶液2.5 L和10 g·L−1的Fe3O4进行诱导结晶,其他条件同上。反应结束后立即磁分离,剩余结晶溶液分为4份进行PAC混凝除浊,PAC投加量2、5、7、10 mg·L−1。混凝条件为200 r·min−1 30 s+100 r·min−1 5 min+50 r·min−1 5 min。混凝结束后静沉30 min测上清液浊度。

    以上实验均在(25±1) ℃下进行,每个样品进行3次重复。

    pH和浊度采用pH电极(雷磁PHSJ-3C,上海仪电科学)和浊度仪(WGZ-500B,上海昕瑞仪器)测定。Ca2+测定采用EDTA滴定法。结晶产物形态观测和晶型分析分别采用扫描电子显微镜(SU-8020,日立公司)和X射线衍射仪(D8-Advance,布鲁克公司)进行。

    实际流化床结晶工艺中,未结晶到晶种表面且随水流出流化床的微小颗粒为微晶。本文由于在烧杯实验条件下,将反应结束后静置30 min仍未沉降的结晶颗粒视为微晶。结晶体系的总结晶率、微晶产率、Ca2+去除率依次按照式(1)、式(2)和式(3)进行计算。

    α=5Cb5×100% (1)
    β=CaCb5Cb×100%(2) (2)
    γ=5Ca5×100% (3)

    式中:α为总结晶率;β为微晶产率;γ为钙离子去除率;Ca为反应结束后静沉30 min的上清液Ca2+浓度,mmol·L−1Cb为反应后出水经0.45 μm滤膜过滤后滤液Ca2+浓度,mmol·L−1

    Fe3O4的投加提高了体系总结晶率(图1(a)),但与对照组相比,提高并不显著(P>0.05)。体系微晶产率随Fe3O4投加量增加而降低(图1(b)),与对照组相比,在Fe3O4的投加量2 g·L−1和5 g·L−1时显著降低(P<0.05),在投加量为10 g·L−1时极显著降低(P<0.01)。体系软化效果随Fe3O4投加量增加而提高(图1(c)),与对照组相比,在投加量为2 g·L−1时显著提高(P<0.05),在投加量为5 g·L−1和10 g·L−1时极显著提高(P<0.01)。

    图 1  Fe3O4投加量对体系结晶与软化效果的影响
    Figure 1.  Effect of Fe3O4 dosage on the crystallization and softening of systems

    总结晶率由结晶体系初始过饱和度S0和临界过饱和度S*之差ΔS决定,ΔS越大,则总结晶率越高。诱导结晶体系中晶种的加入可降低S*[23],但实验中Fe3O4的投加却未引起总结晶率显著提升,说明对照组与实验组结晶体系S*最终处于大致相等水平。根据经典结晶理论,对照组中CaCO3均相结晶过程分成核和晶核成长2个阶段[24]。实验中对照组S0较高(S0=3 775,以方解石Ksp计),可以认为成核过程耗时较短,后续均为晶核成长过程,体系残余构晶离子(Ca2+CO23)在晶核表面进行表面结晶,这一过程与诱导结晶的区别仅在于前者晶种为成核阶段生成的晶核,后者晶种为外投Fe3O4。正是因为对照组与实验组ΔS无显著差异,相应总结晶率也无显著差异。

    对照组钙的总结晶率为(52.0±1.6)%,甚至高于理论值(实验中C/Ca摩尔比=0.5,理论总结晶率50%),这可能是因为来自大气中的CO2经水合、去质子后可提供少量结晶所需构晶离子CO23[25],所以总结晶率略高于理论值。而实验组的总结晶率均高于理论值,可能是因为Fe3O4的诱导结晶导致体系碱度低于均相结晶体系,相应大气中CO2的补充更明显。

    在对照组的均相结晶过程中,晶核的形成消耗了大量的构晶离子,导致晶核成长动力不足,最终产物粒度较小,因而固液分离性能不佳,有(32.3±3.1)%的结晶产物即微晶无法顺利沉降。实验组微晶产率随着Fe3O4投加量的增加明显降低,当Fe3O4的投加量为10 g·L−1时,微晶产率仅为(9.0±0.8)%。Fe3O4的投加对微晶产率的削减作用:一方面,因为Fe3O4诱导结晶与均相成核对构晶离子的竞争,降低了均相成核规模,相应微晶数量降低;另一方面,由于Fe3O4诱导结晶的竞争,均相成核期间体系过饱和度小于对照组,GAREA等[8]研究表明,过饱和度越低,均相成核生成的晶核尺寸越大,沉降分离性能越好。

    在实际高硬水软化工程中,为了获得预期的硬度去除效果,往往不得不过量投加沉淀剂(CO23或OH)或延长结晶反应时间[26],这与图1(c)中显示结果一致:当C/Ca摩尔比为0.5时,由于微晶的形成,对照组钙硬度实际去除率仅为(35.6±1.6)%,远小于理论值50%,此时若要提高软化效果,只有增加CO23投加量或延长反应时间,以增大结晶产物粒径,降低微晶产率。在实验组中投加Fe3O4后,微晶产率得到有效控制,钙去除率显著提升,当Fe3O4投加量为10 g·L−1时,去除率为(51.7±0.8)%,甚至略高于理论值。

    图2可知,与对照组相比,在不同Fe3O4投加量的实验组中,结晶体系出水pH的变化均不显著 (P>0.05);但浊度却得到显著降低(P<0.05),Fe3O4投加量越大,浊度降低越明显,当Fe3O4投加量为5 g·L−1和10 g·L−1时,降低为极显著(P<0.01)。

    图 2  Fe3O4投加量对结晶体系出水pH和浊度的影响
    Figure 2.  Effect of Fe3O4 dosage on pH and turbidity of system effluents

    在前面的讨论中已经指出,Fe3O4诱导结晶对体系总结晶率的影响较小,在相同初始Ca2+浓度和C/Ca摩尔比的条件下,这就意味着最终结晶体系CO23浓度及其与总无机碳浓度摩尔比基本不变,因此,结晶体系出水pH也基本不变。由于Fe3O4诱导结晶优良的微晶控制效果,结晶体系上清液浊度改善明显,这就可以显著降低后续混凝所需混凝剂投量,减小污泥产量。结晶体系上清液浊度与微晶产率的拟合关系表明,两者呈明显正相关关系(图3)。

    图 3  诱导结晶体系上清液浊度与微晶产率线性拟合
    Figure 3.  Linear fitting of effluent turbidity and microcrystal yield ratio of induced-crystallization systems

    需要指出的是,尽管与对照组相比,Fe3O4诱导结晶体系出水pH无明显降低,仍高于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定的8.5,但Fe3O4诱导结晶仍有望用于降低结晶体系出水pH。这是因为相同结晶条件下,Fe3O4诱导结晶提高了钙硬度去除率,若要获得相同软化效果,相应沉淀剂CO23或OH用量可以减小,这将有效降低出水pH。

    若要进一步降低诱导结晶体系出水pH,可以适当延长结晶反应时间,如图4所示。当Fe3O4投加量为10 g·L−1时,随着结晶时间的延长,残余构晶离子CO23浓度继续降低,体系中HCO3去质子化过程加强,pH逐渐降低。结晶时间超过50 min后pH稳定在8.38~8.47,达到GB 5749-2006的要求。

    图 4  诱导结晶时间对体系出水pH的影响
    Figure 4.  Effect of induced-crystallization time on pH of system effluent

    磁分离后结晶体系上清液浊度在40 NTU左右,此时浊度绝大部分由同步发生的均相结晶产物引起。经PAC混凝并静沉30 min后浊度显著降低,且PAC投加量越大,效果越明显(图5)。当PAC投加量为7 mg·L−1,浊度仅为(2.2±0.2) NTU。

    图 5  PAC投加量对诱导结晶体系出水除浊效果的影响
    Figure 5.  Influence of PAC dosage on the turbidity removal effect of effluent from induced-crystallization systems

    混凝沉淀对结晶体系出水除浊效果有限的问题一直困扰高硬度软化。特别是当以石灰为软化剂时,为确保除浊效果,往往不得不加大混凝剂投加量,产生大量沉淀污泥,即便如此,沉淀后出水浊度仍然偏高,容易堵塞滤池。黄明珠等[4]采用“石灰+PAC”软化总硬度为278.5~298.4 mg·L−1的地下水,反应后静沉30 min后,总硬度去除率为50%左右,上清液浊度高达300 NTU以上,经40 mg·L−1的PAC混沉后,浊度仍约为10 NTU。当采用纯碱替代部分石灰时,浊度明显降低。张浩程[27]的研究表明,当石灰、纯碱和混凝剂(PAC)的投加量分别为80~120、30~40和 5~9 mg·L−1时,沉淀后出水浊度可以控制在6.4~12.7 NTU。

    本文中实验组由于诱导结晶的竞争,均相结晶得以在较低过饱和度下进行,因而均相结晶产物与对照组相比,数量密度有所降低、粒径增加、微晶产率降低,上清液浊度得到改善(图2(b))。当Fe3O4投加量为10 g·L−1时,不经静沉仅磁分离浊度就可降至40 NTU左右(静沉30 min后进一步降至(22.7±3.9) NTU,见图2(b))。磁分离后悬浊液再经7 mg·L−1的PAC混凝并静沉30 min后,上清液浊度降至(2.2±0.2) NTU,除浊效果优良。

    图6给出了当Fe3O4投加量为0、0.5和10 g·L−1时结晶产物的扫描电镜图。当Fe3O4投加量为0 g·L−1时,为均相结晶,产物绝大多数是生长完全的斜方六面体或正方体颗粒,晶型完整,表面光滑,粒径为3~7 μm (图6(a))。当Fe3O4投加量0.5 g·L−1时,均相结晶产物数量明显减小(图6(b)),表明Fe3O4诱导结晶一定程度抑制了均相结晶。同时,均相结晶产物仍呈规则斜方六面体或正方体,粒径也不超过10 μm。当继续增大Fe3O4投加量至10 g·L−1时,只有少量均相结晶产物出现,且规则性状逐渐消失(图6(c)),说明均相结晶过程明显被Fe3O4诱导结晶抑制。

    图 6  不同Fe3O4投加量结晶产物扫描电镜图
    Figure 6.  SEM images of crystallized products at various Fe3O4 dosages

    图7给出了均相结晶产物(Fe3O4投加量为0 g·L−1)和Fe3O4诱导结晶产物(Fe3O4投加量为10 g·L−1)的XRD谱图。均相结晶产物的晶型均为方解石(图7(a))。由图7(b)可知,Fe3O4表面的诱导结晶产物晶型同样为方解石。

    图 7  不同Fe3O4投加量结晶产物XRD谱图
    Figure 7.  XRD patterns of crystallized products at various Fe3O4 dosages

    1)与均相结晶软化相比,采用Fe3O4诱导结晶进行高硬水的软化,不会引起体系总结晶率和出水pH的明显变化;但Fe3O4诱导结晶可明显抑制均相结晶,从而降低结晶体系的微晶产率,进而提高软化效果。当Fe3O4投加量为10 g·L−1、C/Ca摩尔比为0.5时,微晶产率仅为(9.0±0.8)%,钙硬度去除率为(51.7±0.8)%,略高于理论值。

    2) Fe3O4诱导结晶可以显著降低结晶体系悬浊液浊度,当Fe3O4投加量由0 g·L−1增加至10 g·L−1时,结晶体系经30 min静沉后,浊度可由215.9 NTU降至22.7 NTU;同时Fe3O4诱导结晶悬浊液的混凝除浊性能良好,当Fe3O4投加量为10 g·L−1时,结晶体系经磁分离后,悬浊液采用7 mg·L−1的PAC混凝,浊度就可由40 NTU左右降至2.2 NTU。

    3)均相结晶和Fe3O4诱导结晶产物晶型均为方解石。均相结晶结晶产物数量密度随着Fe3O4投加量的增加而减小。

  • 图 1  稀土改性前后凹凸棒土SEM图谱

    Figure 1.  SEM images of attapulgite before and after rare earth modification

    图 2  稀土改性前后凹凸棒土XRD图谱

    Figure 2.  XRD patterns of attapulgite before and after rare earth modification

    图 3  稀土改性前后凹凸棒土FT-IR图谱

    Figure 3.  FT-IR spectra of attapulgite before and after rare earth modification

    图 4  吸附剂投加量对TP去除效果的影响

    Figure 4.  Effect of adsorbent dosage on the removal effect of TP

    图 5  初始 pH对TP去除率的影响

    Figure 5.  Effect of initial pH on TP removal rate

    图 6  稀土改性凹凸棒土吸附除磷动力学模型

    Figure 6.  Kinetic model of phosphorus removal by adsorption of rare earth modified attapulgite

    图 7  稀土改性凹凸棒土吸附除磷等温线模型

    Figure 7.  Isotherm model of phosphorus adsoprtion by rare earth modified attapulgite

    图 8  La吸附H2PO4机理

    Figure 8.  Mechanism of H2PO4 adsorption by La

    表 1  稀土改性前后凹凸棒土主要化学组成

    Table 1.  Main chemical composition of attapulgite before and after rare earth modification

    样品化学组成/%
    ATPNd-ATPCe-ATPY-ATPLa-ATPPr-ATP
    SiO247.2645.1644.0444.9345.1445.29
    CaO15.0214.8414.1815.5214.8414.94
    MgO13.0413.0413.87312.8712.8913.17
    Al2O311.0610.7510.31610.5410.7110.73
    Fe2O38.9878.377.2558.5338.4388.228
    K2O2.62.2711.8082.3692.3712.249
    TiO21.451.351.091.371.341.34
    P2O50.2040.1940.1340.1820.1910.209
    MnO0.1090.096 70.077 30.091 60.091 20.094 5
    稀土氧化物2.933.782.3083.012.73
    样品化学组成/%
    ATPNd-ATPCe-ATPY-ATPLa-ATPPr-ATP
    SiO247.2645.1644.0444.9345.1445.29
    CaO15.0214.8414.1815.5214.8414.94
    MgO13.0413.0413.87312.8712.8913.17
    Al2O311.0610.7510.31610.5410.7110.73
    Fe2O38.9878.377.2558.5338.4388.228
    K2O2.62.2711.8082.3692.3712.249
    TiO21.451.351.091.371.341.34
    P2O50.2040.1940.1340.1820.1910.209
    MnO0.1090.096 70.077 30.091 60.091 20.094 5
    稀土氧化物2.933.782.3083.012.73
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    表 2  共存阴离子对TP去除率的影响

    Table 2.  The effect of coexisting anions on TP removal rate

    共存阴离子TP去除率%
    Nd-ATPCe-ATPY-ATPLa-ATPPr-ATP
    HCO353.9271.1595.4690.659.22
    SO2496.2694.9196.7194.9193.1
    Cl-96.7498.0998.0998.0997.64
    PO2495.9195.9197.6797.2397.67
    混合离子57.5181.2997.2997.1357.51
    共存阴离子TP去除率%
    Nd-ATPCe-ATPY-ATPLa-ATPPr-ATP
    HCO353.9271.1595.4690.659.22
    SO2496.2694.9196.7194.9193.1
    Cl-96.7498.0998.0998.0997.64
    PO2495.9195.9197.6797.2397.67
    混合离子57.5181.2997.2997.1357.51
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    表 3  稀土改性凹凸棒土吸附除磷动力学拟合参数

    Table 3.  Kinetic parameters of adsorption and removal of phosphorus by rare earth modified attapulgite

    吸附剂准一级动力学方程准二级动力学方程
    Qe/ (mg·g−1)K1/ min−1R2Qe/ (mg·g−1)K2/ (g·(mg·h)−1)R2
    Nd-ATP2.5430.0410.8852.8290.0530.933 8
    Ce-ATP2.5410.0500.8882.7990.0660.933 7
    Y-ATP2.6000.0380.8742.9100.0470.924 9
    La-ATP2.6040.0410.8732.9040.0510.924 1
    Pr-ATP2.5580.0460.8762.8290.0590.927 5
    吸附剂准一级动力学方程准二级动力学方程
    Qe/ (mg·g−1)K1/ min−1R2Qe/ (mg·g−1)K2/ (g·(mg·h)−1)R2
    Nd-ATP2.5430.0410.8852.8290.0530.933 8
    Ce-ATP2.5410.0500.8882.7990.0660.933 7
    Y-ATP2.6000.0380.8742.9100.0470.924 9
    La-ATP2.6040.0410.8732.9040.0510.924 1
    Pr-ATP2.5580.0460.8762.8290.0590.927 5
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    表 4  稀土改性凹凸棒土吸附除磷等温线拟合参数

    Table 4.  Fitting parameters of P adsorption isotherm by rare earth modified attapulgite

    吸附剂Langmuir模型Freundlich模型
    Qm/(mg·g−1)bR2KfnR2
    Nd-ATP11.950.2610.9914.5500.2610.875
    Ce-ATP11.320.2710.9954.1640.2710.884
    Y-ATP12.940.2780.9964.6020.2800.885
    La-ATP11.530.2700.9954.2400.2710.887
    Pr-ATP11.760.2660.9944.3980.2660.885
    吸附剂Langmuir模型Freundlich模型
    Qm/(mg·g−1)bR2KfnR2
    Nd-ATP11.950.2610.9914.5500.2610.875
    Ce-ATP11.320.2710.9954.1640.2710.884
    Y-ATP12.940.2780.9964.6020.2800.885
    La-ATP11.530.2700.9954.2400.2710.887
    Pr-ATP11.760.2660.9944.3980.2660.885
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-25
  • 录用日期:  2021-09-13
  • 刊出日期:  2021-10-10
李迎春, 董良飞, 仝驰, 仲慧赟, 鲁光辉. 稀土改性凹凸棒土对低浓度磷的吸附性能[J]. 环境工程学报, 2021, 15(10): 3214-3222. doi: 10.12030/j.cjee.202106129
引用本文: 李迎春, 董良飞, 仝驰, 仲慧赟, 鲁光辉. 稀土改性凹凸棒土对低浓度磷的吸附性能[J]. 环境工程学报, 2021, 15(10): 3214-3222. doi: 10.12030/j.cjee.202106129
LI Yingchun, DONG Liangfei, TONG Chi, ZHONG Huiyun, LU Guanghui. Performance of rare earth modified attapulgite on the adsorption of low concentration phosphorus wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(10): 3214-3222. doi: 10.12030/j.cjee.202106129
Citation: LI Yingchun, DONG Liangfei, TONG Chi, ZHONG Huiyun, LU Guanghui. Performance of rare earth modified attapulgite on the adsorption of low concentration phosphorus wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(10): 3214-3222. doi: 10.12030/j.cjee.202106129

稀土改性凹凸棒土对低浓度磷的吸附性能

    通讯作者: 董良飞(1972—),男,博士,教授。研究方向:水污染控制工程。E-mail:dlf@cczu.edu.cn
    作者简介: 李迎春(1996—),女,硕士研究生。研究方向:污水处理技术。E-mail:443087451@qq.com
  • 1. 常州大学环境与安全工程学院,常州 213000
  • 2. 盱眙县中材凹凸棒石粘土有限公司,盱眙 211700
基金项目:
江苏省研究生科研与实践创新计划(SJCX21-1193);江苏省研究生科研与实践创新计划(SJCX21-1192)

摘要: 为提高凹凸棒土对污水中低浓度磷的吸附能力,制备了稀土改性凹凸棒土(Nd-ATP、Ce-ATP、Y-ATP、La-ATP、Pr-ATP),且将其用于低浓度含磷(TP=1 mg·L−1)废水的吸附处理,比较了5种吸附剂的除磷性能、吸附动力学和等温线模型,以及改性前后的结构组成和表面基团变化。结果表明:当pH为3时,改性凹凸棒土除磷效果最好,TP去除率为84%~98%;共存HCO3对吸附剂除磷有较强的抑制作用,SO24 和Cl对TP吸附的影响几乎可以忽略;准二级动力学模型和Langmuir等温线模型能较好描述该吸附除磷过程。其中,pH、投加量、共存阴离子对Y-ATP除磷效果影响最小;Y-ATP对TP的吸附容量最大,为12.94 mg·g−1。稀土改性凹凸棒土吸附剂除磷主要遵循球内络合机理,其中吸附剂表面的羟基基团起关键作用。

English Abstract

  • 作为水生生态系统的主要养分[1],磷(P)是引起湖泊富营养化的关键营养元素,可导致藻类过度繁殖和水质恶化[2],其触发水体富营养化的阈值浓度可低至10 μg·L−1[3]。全球约有30%~50%的水源由于淡水中含有过量溶解磷而面临富营养化问题[4]。调节总磷浓度、减少磷源输入是解决富营养化的重要途径。

    传统污水除磷方法主要有生物处理、化学沉淀、离子交换和吸附[5]。其中,吸附具有易于操作、去除效率高、污泥产生少、成本低等特点,被认为是除磷的最佳选择[6]。除了使用沸石、活性炭和生物炭等吸附剂除磷,近年来,由于凹凸棒土易获得且体量大,比传统的吸附剂更环保、更具成本效益[7]。凹凸棒土(Si8O20Mg5 (OH) 2 (H2O) 4·4H2O)是一种水合Mg-Al硅酸盐矿物,具有固有通道和纳米结晶度的纤维层状结构。与其他材料相比,凹凸棒土由于具有高度多孔的微结构、阳离子交换能力强和活性表面官能团多等优势,故可将其作为潜在的除磷吸附剂应用于大规模废水治理[8]

    近年来,相关学者已经探索了对天然凹凸棒土进行改性以克服其局限性并提高吸附磷酸盐能力的方法。稀土具有较活泼的化学性质,能与周期表中许多元素反应,生成络合物,其与无机配体形成络合物的稳定性顺序由大到小为PO4>CO3>F>SO4>SCN>NO3 >Cl[9]。稀土吸附剂具有可选择性、吸附效果好、吸附容量高、易于再生等特点,且能替代贵金属,在含磷废水处理中应用前景广阔,因此,开展稀土在废水除磷方面的研究具有一定意义[10]。在过去的20 a中,由于镧(La)系吸附剂对磷酸盐具有亲和力强、吸附效果好的优点,被广泛用于废水除磷。但使用除La以外的其他稀土元素去除磷酸盐却鲜有报道,且目前大多数研究集中在对高浓度磷的去除,而对低浓度磷去除研究较少。

    为此,本研究以凹凸棒土(ATP)为原料,分别使用钕(Nd)、铈(Ce)、钇(Y)、镧(La)、镨(Pr)对凹凸棒土的表面进行了改性,旨在制备出吸附效果好、选择性吸附强的环境友好型高效吸附除磷剂,以期为低浓度含磷废水的处理提供参考。

    • 实验所用凹凸棒土取自江苏省盱眙县中材凹凸棒石粘土有限公司,所用药品皆为分析纯(AR):盐酸、氢氧化钠、硝酸钇、硝酸钕、硝酸镨、硝酸镧、硝酸铈、磷酸二氢钾、表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵等;实验中所有溶液均由去离子水配制。

    • 将破碎研磨后的凹凸棒土过350目筛后,置于马弗炉内400 ℃焙烧1 h 后,自然冷却,备用。称取经过热处理的凹凸棒土置于250 mL锥形瓶中,再加入50 mL浓度为0.4 mol·L−1的硝酸钕,用保鲜膜密封后置于恒温振荡箱中,在40 ℃、200 r·min−1下反应24 h后,加入20 mL浓度为 50 mmol·L−1的十八烷基三甲基溴化铵溶液,继续反应24 h后,再置于105 ℃烘干,所得固体材料即为钕改性凹凸棒土(Nd-ATP)。铈改性凹凸棒土(Ce-ATP)、钇改性凹凸棒土(Y-ATP)、镧改性凹凸棒土(La-ATP)、镨改性凹凸棒土(Pr-ATP)制备方法与钕改性凹凸棒土相同。

    • 1)投加量的影响。分别称量0.01~0.05 g的稀土改性凹凸棒土吸附剂(Nd-ATP、Ce-ATP、Y-ATP、La-ATP、Pr-ATP)加入到100 mL质量浓度为1 mg·L−1的TP溶液中,调节pH为3,在25 ℃,300 r·min−1下反应24 h,吸附完成后,测定TP的质量浓度并计算其去除率。

      2)初始pH的影响。分别称量0.04 g的稀土改性凹凸棒土吸附剂加入到100 mL质量浓度为1 mg·L−1的TP溶液中,调节pH为3、5、7、9、11,在25 ℃、300 r·min−1下反应24 h,吸附完成后,测定TP的质量浓度并计算其去除率。

      3)共存阴离子的影响。分别称量0.04 g的稀土改性凹凸棒土吸附剂加入到100 mL浓度为1 mg·L−1的TP溶液中,按1 mg·L−1投加HCO3SO24、Cl以及混合离子溶液,在25 ℃、300 r·min−1下反应24 h,吸附完成后,测定TP的质量浓度并计算其去除率。

      4)吸附动力学。分别称量0.04 g的稀土改性凹凸棒土吸附剂加入100 mL质量浓度为1 mg·L−1的TP溶液中,调节pH为3,在25 ℃、300 r·min−1下反应,在0~360 min内测定TP的质量浓度,并计算其吸附量。采用准一级动力学(式(1))和准二级动力学模型(式(2))描述稀土改性凹凸棒土吸附剂对TP的吸附过程。

      式中:qe为平衡吸附量,mg·g−1qtt时刻的吸附量,mg·g−1t为吸附时间,min; k1为准一级动力学速率常数,min−1k2为准二级动力学速率常数,g·(mg·min)−1

      5)吸附等温线。分别称量0.05 g的稀土改性凹凸棒土吸附剂加入100 mL浓度为5、10、20、30、40、50 mg·L−1的TP溶液中,调节pH为3,在25 ℃、300 r·min−1下反应24 h,并计算TP的吸附量。采用Langmuir(式(3))和Freundlich模型(式(4))对吸附过程进行拟合。

      式中:Qm为最大吸附容量,mg·g−1Qe为平衡吸附量,mg·g−1b为Langmuir模型常数,L·mg−1n为Freundlich模型常数;Kf为Freundlich模型常数,mg·g−1

    • 1) SEM表征分析。稀土改性前后凹凸棒土SEM照片如图1所示。图1(a)中天然凹凸棒土呈板条状或纤维状,通过棒状单晶的紧密排列,形成晶体束然后聚集在一起[11];表面呈现出带有棒束的倒塌层状结构,且具有较为均匀的孔隙,为负载稀土提供了良好环境。改性后凹凸棒土(图1(b)~(f))凹凸棒土单晶排列更加独立和分散,表面孔隙增大。其原因可能是:高温改性致使白云石和碳酸钙等杂质被去除,原有分子之间的键合力减弱,孔道疏通[12],在表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵的作用下,晶体束的团聚现象弱化。

      2) XRD表征分析。稀土改性前后凹凸棒土的XRD图谱如图2所示。由图2可见,天然凹凸棒土中含有凹凸棒石、白云石和石英,经过高温焙烧后,凹凸棒石、白云石、石英的强度虽均有不同程度地减弱[13],但改性后凹凸棒土XRD谱图的基线基本不变,峰的强度、数量保持相对不变。这说明,在一定温度下凹凸棒土具有热稳定性[14]。凹凸棒土经稀土改性后,在29.1°处有稀土氧化物的衍射峰存在,表明稀土已经成功负载于凹凸棒土表面[15]

      3) FT-IR。稀土改性前后凹凸棒土FT-IR图谱如图3所示。由图3可见:凹凸棒土中四面体和八面体结构的内部—OH拉伸振动峰为3 553 cm−1;3 416 cm −1是结构水中将Mg和Al连接在四面体和八面体之间的羟基官能团的拉伸振动带;Si—O3—C的反对称拉伸振动峰组对应于1 027 cm−1。对比热改性前后凹凸棒土的红外光谱变化可发现,原1 640 cm−1和2 529 cm−1处归属于凹凸棒土吸附水和沸石水的振动峰消失。其原因可能是:高温焙烧后的凹凸棒土表面吸附水、沸石水依次脱羟基,但仍保留结构水和部分结晶水[16]。如图3所示,稀土改性凹凸棒土后,凹凸棒土骨架的振动峰略有偏移,均向波数高的方向移动且凹凸棒土的—OH振动峰均有不同程度上的降低;改性后的凹凸棒土红外光谱中出现了几处新峰,2 854 cm−1 和2 926 cm−1处为—NH2的振动吸收峰,这表明经过表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵改性后,已有氨基被修饰到凹凸棒土表面。

      4) XRF表征分析。稀土改性前后凹凸棒土XRF数据见表1。由表1可知,与天然凹凸棒土相比,稀土改性后的凹凸棒土中钙、镁、铝、铁等含量均有不同程度的减少,这应该是稀土元素通过与上述离子发生交换反应从而成功负载到凹凸棒土表面[17];Ce-ATP表面负载Ce氧化物含量为3.78%,高于其他几种改性凹凸棒土稀土氧化物占比,其原因可能是Ce元素与钙、镁、铝等离子交换的能力更强。

    • 图4可知,随着投加量逐渐增加,5种稀土改性后的凹凸棒土对TP的去除率均呈现先增大后不变的趋势。一般而言,当投加量过小时,溶液中的磷酸根离子远多于改性凹凸棒土所能提供的吸附位点,因此TP去除率较低;当投加量持续增加时,吸附剂提供的吸附位点也随之增加,溶液中剩余的磷酸根离子可附着在吸附剂的表面,因此,TP去除率不断增加。从实验结果看,当吸附剂用量为 0.3 g·L−1时,5种稀土改性凹凸棒土对TP的去除率均达到了70%,其中Y-ATP的去除率显著高于其余 4 种吸附剂,去除率可达98%。当吸附剂用量增加至 0.4 g·L−1时,5种稀土改性凹凸棒土对TP的去除率均达到了 98% 以上。此时,溶液残余TP质量浓度由0.9 mg·L−1急剧下降到0.02 mg·L−1,达到地表 Ⅰ 类水标准。当投加量继续增加,TP去除率和溶液残余TP质量浓度均不再发生变化。当天然凹凸棒土投加量由0.10 g·L−1增加至0.50 g·L−1时,TP去除率最高为6%,与稀土改性后的凹凸棒土TP去除率相差近17倍,这说明使用稀土改性凹凸棒土去除TP是高效可行的。

    • 图5可知,当pH为3时,吸附剂除磷效果最好,其中Ce-ATP、Y-ATP和La-ATP对TP去除率可达98%,Nd-ATP和Pr-ATP效果略差,约为84%。除Y-ATP外,其他几种吸附剂的TP去除率均随pH的增加有不同程度的降低。当pH为3~7时,磷酸盐以H2PO4为主要形式存在于水体中[18],而随着pH的增加,磷酸盐逐渐转化为HPO24PO34。稀土和磷酸根之间可能的化学反应如式(5)~式(7)所示(以La为例)。

      随着pH的升高,吸附剂表面所带的负电荷与磷酸根离子之间的静电斥力增加,表面的羟基离子也会与磷酸根离子发生竞争[19],稀土氧化物与磷酸根离子反应形成的络合物减少,从而导致TP的去除率降低。当pH>9时,5种吸附剂的TP去除率骤降,这与稀土在高pH的溶液中发生溶解有关。当pH为3~9时,Y-ATP的去除率较稳定,均可达到98%,表明其受pH的影响较小,可应用于不同pH的水体环境中。

    • 表2可知,SO24 和Cl对磷酸盐的吸附影响几乎可以忽略,HCO3和混合离子对于Nd-ATP、Ce-ATP、Pr-ATP这3种吸附剂除磷效果影响较大,Nd-ATP、Pr-ATP去除率下降近35%,Ce-ATP去除率下降近20%。这可能是由于HCO3会与磷酸根离子竞争吸附位点,致使磷酸根离子可用吸附位点减少,稀土氧化物与磷酸根离子反应形成的络合物减少,从而导致TP去除率降低。几种阴离子对磷酸盐吸附效果影响由大到小为混合离子>HCO3>SO24>Cl

    • 稀土改性凹凸棒土吸附除磷准一级和准二级模型拟合曲线如图6所示。由图6可知,随着吸附时间的增加,5 种稀土改性凹凸棒土对TP的吸附量不断增加直至逐渐趋于稳定。吸附剂除磷初始阶段吸附速率较快,在20 min时达到平衡吸附容量的60%~77%,在40 min内达到平衡吸附容量的92%~97%,绝大部分磷酸盐在前60 min内被吸附,大约在100 min时吸附达到平衡。这可能是因为,经过稀土改性后的凹凸棒土表面存在大量的有效活性位点,磷酸根离子与这些有效活性位点快速结合,随着吸附位点被逐渐占据,反应速率逐渐减慢直至达到平衡[20]。由表3可见,与准一级模型相比,准二级模型对磷酸盐的吸附数据具有更好的适用性(可决系数R2值更高,均大于0.92),表明该过程主要以化学吸附为主。

    • 稀土改性凹凸棒土吸附除磷Langmuir和Freundlich模型拟合如图7所示,模型常数和相关系数见表4。由图7可知,在TP浓度较低的情况下,吸附量均随TP平衡浓度的升高而增大,当TP达到一定浓度后,吸附量的上升趋势逐渐趋于平稳。由表4可见,相对Freundlich模型,Langmuir模型的方程可决系数R2(R2>0.99)更高。表明稀土改性凹凸棒土对TP的吸附过程是一种以单分子层化学吸附为主[17]。溶液中磷酸根离子浓度与吸附剂表面液膜的浓度差增加,有利于磷酸根离子向吸附剂表面迁移,最终达到单位质量吸附剂的最大吸附量[19]。由Langmuir 模型可知,Nd-ATP、Ce-ATP、Y-ATP、La-ATP和Pr-ATP 的最大吸附量分别为11.95、11.32、12.94、11.53和 11.76 mg·g−1

    • 结合已有文献报道以及本研究所得实验结果,可以进一步推测稀土改性凹凸棒土吸附除磷机理。实现对磷酸根离子选择性吸附的3种方法为氢键、形状互补和球内络合,稀土改性凹凸棒土对磷酸根离子的选择性吸附更符合球内络合(图8)。图8(a)阐明了3种类型的球内络合,磷酸根离子可以在金属颗粒表面形成单核单齿(1个金属原子和1个氧来自磷酸根离子)、单核双齿(1个金属原子和2个氧来自磷酸根离子)和双核双齿(2个金属原子和2个氧来自磷酸根离子)络合物[21]

      经表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵改性后,阳离子与凹凸棒土纤维晶间的水合阳离子发生了离子交换,晶体内部结构打开,间距加大,提高了凹凸棒土对磷酸根的吸附能力。由XRD和XRF的表征结果可知,经5种稀土元素改性的凹凸棒土均形成相同晶型的稀土氧化物(吸附活性成分),Nd、Ce、La、Pr同属于镧系元素。有研究[22]表明,La和Ce具有相同的除磷机制。由此推测,5种稀土改性凹凸棒土的除磷机理可能相似。以La为例,由图8(b)可知,La以凹凸棒土为载体,负载在凹凸棒土棒晶表面。在含磷废水中,La的表面被羟基覆盖,La改性凹凸棒土表面的基团主要以La-OH形式存在,总体上氢氧化镧表面带正电荷。在配体交换过程中,La表面羟基被另一种配体磷酸根取代,配体与La原子之间形成共价化学键,磷酸盐在La颗粒表面形成双核双齿络合物,从而形成磷酸镧沉淀,继而达到除磷目的。

    • 1)稀土改性凹凸棒土(Nd-ATP、Ce-ATP、Y-ATP、La-ATP和Pr-ATP)吸附除磷效率随pH值的增加而降低,Y-ATP在pH 3~9时保持相对稳定的TP去除率;共存HCO3在很大程度上抑制了稀土改性凹凸棒土对TP的吸附。

      2) 当初始TP浓度为5~50 mg·L−1时,Langmuir吸附模型能更好地描述稀土改性凹凸棒土吸附除磷过程,Y-ATP对TP 的吸附容量最大,为12.94 mg·g−1。当初始TP浓度为1 mg·L−1,准二级动力学模型能更好地描述稀土改性凹凸棒土吸附除磷过程,吸附过程主要以单分子层化学吸附为主。

      3) XRD、SEM、FT-IR、和XRF表征结合除磷结果表明,稀土改性凹凸棒土吸附除磷主要遵循球内络合机理,吸附剂表面羟基起关键作用。

      4)稀土改性凹凸棒土吸附剂可应用于低浓度含磷废水处理,具有除磷效率高、吸附容量大和选择性吸附等优点。

    参考文献 (22)

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