第9期 陈爱燕等:Zn-AI类水滑石磷吸附剂的制备及其吸附性能 。2271‘ 产生的大量化学污泥也难于处理。吸附法作为一种 操作简单、经济可行、同时可实现磷回收的除磷方 法近年来逐渐受到重视,其中类水滑石是一类典 型、有效的磷吸附剂 j。 类水滑石化合物(hydrotalcite—like corn— pounds,HTALs)又称为双金属氢氧化物(1ay— ered double hydroxides,LDHs),是一种由二价和 三价金属构成的具有水滑石层状晶体结构的混合金 属氢氧化物嘲。HTALs的晶体结构类似于黏土矿 物,属六方晶系。其层板结构与水镁石Mg(OH)z 类似,由金属离子和六个羟基构成的八面体共边组 成Ⅲ,不同之处在于HTALs的基本结构是由M 一 OH与M OH八面体形成的正电荷层板和用于中 和电性的层间阴离子以及水分子组成。由于 HTALs层间阴离子可与外界溶液中的阴离子进行 交换 ],故可作为良好的阴离子污染物吸附剂。有 关研究表明,HTALs对环境中的腐殖质、呈络阴 离子形式存在的重金属、放射性元素以及P、F等 元素都有很强的吸附能力[7-12],因此被广泛地应用 于油田、催化剂、医药载体、污水处理等领域。 本文在前期工作的基础上,选择Z Al类水滑 石作为污泥脱水液中磷酸盐的吸附剂,着重考察 LDHs制备条件对其磷酸根吸附性能的影响,并对 其吸附过程进行研究。 1 实验部分 1.1 Zn—Al类水滑石的制备 按照Zn、A1投料摩尔比2:1配制其氯化物 混合溶液(其中Zn。 浓度为0.5 mol・L )于 500 ml烧杯中,在70℃恒温水浴条件下通过蠕动 泵逐滴加入2O A NaOH溶液至pH为09。将所得 沉淀物在8o℃陈化18 h,取出后用去离子水反复 抽滤洗涤至无C1一检出(AgC1法)。抽滤后的块状 膏体置于80℃鼓风烘箱中,过夜干燥后研磨即得 吸附剂样品。为提高Zn—A1类水滑石的磷吸附能 力,部分样品在电阻炉中进行了焙烧处理。焙烧温 度为300℃,气氛为氮气,焙烧时间4 h。 为考察不同制备条件对Zn—A1类水滑石磷酸盐 吸附性能的影响,通过改变制备温度、共沉淀剂、 陈化时间和焙烧温度制得了一系列不同的磷吸附 剂。吸附剂的结构表征采用Rigaku D/max—rB旋 转阳极x射线衍射仪(铜阳极,石墨单色器, CuK波长0.15418 nm,45 kV,40 mA,扫描速度 5(。)・ml‘n_。,步长0.02。)。比表面积分析采用 Micromeritics公司的ASAP 2020M型全自动比表 面积及孔隙度分析仪。 1.2磷吸附实验 磷吸附实验均在水温为25℃恒温水浴振荡器 中进行。含磷污水采用哈尔滨太平污水处理厂剩余 污泥脱水液,该水样pH为7.0左右,可溶性正磷 酸盐含量2O~25 mg P・L。磷的分析测定采用 钼锑抗分光光度法 。 (1)一般磷吸附实验 准确称取0.02 g吸附 剂置于具塞瓶中,加入50 m1污泥脱水液,恒温振 荡24 h后取上清液经0.45 m滤膜过滤测定可溶 性正磷酸盐的浓度C ,计算吸附剂磷吸附量q 。 (2)吸附动力学实验准确称取0.1 g吸附剂 置于具塞瓶中,加入300 ml污泥脱水液,恒温振 荡72 h,不定时取上清液过滤测定此时磷浓度C 并计算磷吸附量q 。 (3)吸附等温线的测定 准确称取一定质量 (O.O2~0.25 g)的吸附剂置于具塞瓶中,依次加 入污泥脱水液200 ml,恒温振荡72 h后取上清液 过滤测定平衡磷浓度C ,计算平衡吸附量q 。 2 结果与讨论 2.1 制备温度对7J1-Al类水滑石磷吸附性能的影响 图1为不同温度下制备的Zn—A1类水滑石试样 对污泥脱水液中磷的吸附效果比较。25~9O℃,吸 附剂磷吸附量随制备温度升高呈现减少、增加和再 减少的趋势,并在3O和70℃取得最小和最大值。 由XRD图谱(图2)可以看出,3O。C制备的Zn—A1 30 25 20 25 3O 4O 50 6O 7O 80 9O temperatureFC 图1 制备温度对Zn-A1类水滑石磷吸附效果的影响 Fig.1 Effect of temperature for Zn-A[HTAI S synthesis on phosphate adsorption 维普资讯 http://www.cqvip.com ・2272・ 化 工 学 报 第59卷 calcination temperature agmgUme synthesis temperature l0 2O 3O 40 5O 6O 7O 8O 20/(。) 图2不同条件下制备的z AI类水滑石的XRD图谱 Fig.2 XRD patterns of Zn-A1 HTALs prepared under different conditions 类水滑石为单一晶相,随着温度升高所生成试样的 结晶度降低,并且表现为类水滑石和ZnO的复相 混合物。BET表征分析发现,7O℃时制得的Zn—A1 吸附效果影响不大,而该共沉淀剂中Na CO。的加 入明显不利于所得类水滑石对磷酸盐的吸附,同 时,NH。・H。0作为共沉淀剂时,Zn—A1类水滑 石的磷吸附效果也远远低于NaOH制得的吸附剂。 类水滑石比表面积最大,说明类水滑石化合物结晶 度的适当降低,增大了其比表面积,从而增加物理 由图2 XRD扫描的结果可见,引入cO:~后类水 滑石的各特征衍射峰ERu(003)、(006)]强度都 有较大增加,表明其有较好的结晶度,这与李丽芳 吸附的活性位点,表现出较好的磷吸附效果。由此 可见,类水滑石对磷酸盐的吸附不仅仅通过层间的 阴离子交换,同时是一个结合物理吸附的过程。 等[1 ]的研究结果相符。Zn—A卜CO。类水滑石的层 类水滑石晶体的形成包括成核和生长两个过 程,二者的速率对所得沉淀物的晶相组成具有重要 问距有所降低,d(003)为o.764 rim,表明层间 cO;一与带正电双金属氢氧化物层板之间的静电作 用强烈。co23 的这种作用大于C1、so2,一及 影响。根据Arrhenius方程,在较高的制备温度条 件下,反应生成Zn(OH)。沉淀物的速率明显增 加,减少了Al抖对氢氧化物沉淀中Zn 。。进行同晶 置换的机会,因而所得沉淀物为复相结构,并且温 HPO;一等阴离子与层板间的静电引力f】 ,从而大 大降低了Zn—A1类水滑石对水中磷的吸附量。由于 度越高,Zn—A1类水滑石的比例越小。在本实验 中,不同温度下制备得到的类水滑石沉淀物均经过 18 h、80。C的陈化处理,说明后期的晶化过程和分 采用弱碱NH。・H 0制备类水滑石消耗时间较长, NH。・H O和水中Zn 的反应速率相对较小,导 致制备过程中吸收大量的气态C0。,从而与加入 子重排具有一定的限度。 2.2 共沉淀剂对Zn-AI类水滑石磷吸附性能的影响 为得到不同类型和不同用途的类水滑石化合 物,其制备采用的共沉淀剂往往不同。图3表明, Na0H溶液的浓度对所制得Zn—Al类水滑石的磷 Na CO。的情况相似,所制得的Zn—A1类水滑石晶 相较好,但磷吸附效果不理想。因此,在制备用于 吸附磷酸盐类水滑石的过程中,如何减少空气中 CO。的溶解及因与共沉淀剂反应而引入溶液中, 应是需要考虑的问题。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第9期 陈爱燕等:Zn-A1类水滑石磷吸附剂的制备及其吸附性能 ・2273。 coprecxp ̄tant 图3共沉淀剂对Zn—A1类水滑石磷吸附效果的影响 Fig.3 Effect of coprecipitant for Zn—A1 HTALs synthesis on phosphate adsorption 2.3 陈化时间对Zn-Al类水滑石磷吸附性能的影响 图4给出了经不同时间陈化制得Zn—A1类水滑 石的磷吸附效果差异。可以看出,Zn—A1类水滑石 对污泥脱水液中磷酸盐的吸附能力随制备过程陈化 时间的增加先增强后减弱,并以6 h陈化时问为最 佳值。试样的XRD图谱(图2)表明,Zn—A1类 水滑石的结晶度随着陈化时间的增加而增加。陈化 时间很短时(<6 h),类水滑石的同晶置换还未达 到一定比例,故吸附性能不佳。晶粒尺寸的评价一 般采用Scherrer公式 D一 ㈣ 式中 D为晶粒尺寸,nm;K为Scherrer常数, 其值可取0.89; 为X射线波长,0.154056 nm; 为衍射峰半高宽,rad;0为衍射角, o)。由 XRD扫描数据,计算得垂直于(003)及(110) 晶面方向的晶粒尺寸分别为(12±1)nm和 (27-!-3)nm,没有因陈化时间的增加产生很大变 化。基于以上结果可以得出:(1)该试样在陈化过 程中没有出现晶粒的明显生长,但可改变合成物的 相组成和结晶度;(2)结晶度不是Zn—A1类水滑石 磷吸附性能的决定因素,较高的磷吸附效果可在试 样结晶度相对较低时获得,与2.1节中的结论一 致;(3)Zn—A1类水滑石的最佳磷吸附性能在类水 滑石单一物相和较低结晶度时获得,表明该吸附是 一个物理吸附和化学吸附相结合的过程。 2.4焙烧对Zn-A!类水滑石磷吸附性能的影响 一些经焙烧处理的类水滑石化合物被投入水环 境中将发生自发的再水合作用和结构重建,这一现 图4陈化时间对Zn-A1类水滑石磷吸附效果的影响 Fig.4 Effect of aging time for Zn-A1 HTALs synthesis on phosphate adsorption 象称为“记忆效应”l_】 。在这个过程中,水中的阴 离子可以被卷入类水滑石的层间,从而大大提高了 其对阴离子的吸附能力l】 。图5表明,在300℃下 焙烧4 h后Zn—A1类水滑石(Zn-A1-300)的磷吸 附效果最好。进一步提高焙烧温度反而降低其对水 中磷酸盐的吸附能力,在焙烧温度达600℃时,所 得产物的磷吸附量大大降低,不如焙烧前的试样。 由图2可知,经300℃焙烧后,试样的层状结构完 全消失[类水滑石(003)等特征衍射峰消失],为 金属氧化物所取代。这种物相的转变显然引起了 Zn-A1类水滑石磷吸附量的显著提高,其原因可能为: (1)Zn-A1类水滑石经焙烧后比表面积增加(焙烧前 后吸附剂比表面积分别为8O。22 m ・g 和 89.75 m ・g );(2)吸附选择性大于磷酸根的层 间阴离子(如co;一)在焙烧过程中释放出来,为 图5焙烧温度对zn—Al类水滑石磷吸附效果的影响 Fig.5 Effect of calcination temperature on phosphate adsorption of Zn-A1 HTALs 维普资讯 http://www.cqvip.com ・2274。 化 工 试样对水中磷的吸附创造了更多的活性位点;(3) 磷酸根离子可参与Zn—Al一300的再水合过程。然 而,更高的焙烧温度导致了类晶石型ZnA1 O 物 相的生成,彻底破坏了类水滑石的结构信息,在水 溶液中难以实现结构重建,因此磷吸附性能降低。 2.5吸附动力学研究 由图6可见,Zn—A1—300对污泥脱水液中磷的 吸附在前5 rain内十分迅速,并于24 h基本达到 平衡,平衡吸附量约为55 mg P・(g吸附剂)~。 运用假一级、假二级及Elovich模型对类水滑石试 样吸附磷的动力学进行了数据拟合,结果如图6及 表1所示。各模型拟合的相关系数均大于0.9,但 假二级动力学方程显然更适合该吸附过程,其相关 系数大于0.99,且计算得到的平衡吸附量和实验 测得的值十分吻合。 图6 Zn_AI一300吸附水中磷的动力学曲线及方程拟合 Fig.6 Kinetics of phosphate adsorption on Zn-Al一300 and data fitting by different equations 2.6吸附等温线研究 图7为25℃时测定的Zn—A1—300吸附污泥脱水 液中磷的吸附等温线,应用Langmuir和Freundlich 吸附模型对该曲线进行数据拟合,结果见表2。可 以看出,Langmuir方程的拟合效果明显优于 Freundlich方程,同时,由Langmuir方程推出该 学 报 第59卷 吸附剂对水中磷酸盐的饱和吸附容量为72.46 mg P・(g吸附剂) 。 Celmg-U 图7 Zn—Al一300的磷吸附等温线 Fig.7 Adsorption isotherm of phosphate on Zn—A1—300 表2 Zn-AI-300磷吸附等温线的方程拟合 Table 2 Isotherm models for phosphate adsorption on Zn-AI-300 3 结 论 (1)Zn—A1类水滑石对城市污水处理厂污泥脱 水液中的磷具有良好的吸附效果,在制备温度为 70。C、共沉淀剂为NaOH、陈化时间为6 h及焙烧 温度为300。C时得到的Zn-A1类水滑石吸附效果最好, 其饱和吸附容量达72.46 mg P・(g吸附剂)_。。 (2)经300。C焙烧的Zn—A1类水滑石吸附磷酸 盐的动力学拟合结果表现为假二级动力学方程> Elovich方程>假一级动力学方程;吸附等温线符 合Langmuir吸附模型。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第9期 陈爱燕等:z Al类水滑石磷吸附剂的制备及其吸附性能 ・2275・ References [1] Yuan Junhong(袁俊宏).Development&utilization status of China’s phosphorous resources and resources guarantee system.ChinaMining Magazine(中国矿业),2003,12 (4):4 9 [2] Shin H S,Kim M J,Nam S Y,Moon H C.Phosphorus removal by hydrotalcite like compounds(HTLcs).Water Science Technology,1996,34(1/2):161-168 [3] Das J,Patra B S,Baliarsingh N,Parissa K M.Adsorption of phosphate by layered double hydroxides in aqueous solutions.Applied Clay Science,2006,32:252—260 [4] Kuzawa K,Jung Y J,Kiso Y,Yamada T,Nagai M,Lee T G.Phosphate removal and recovery with a synthetic hydrotalcite as an adsorbent.Chemosphere,2006,62:45— 52 [5] Cavani F,Trifiro F,Vaccari A.Hydrotalcite-type anionic clays:preparation,properties and application.Catalysts Today,1991,11(2):173—3O1 [6] Miyata S.Anion exchange properties of hydrotalcite—like compounds.Clays Clay Mine,1 983,31:305—3 1 1 [7] Parker L M,Milestone N B,Newman R H.The use of hydrotalcite as an anion absorbent. 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