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Zn-Al类水滑石磷吸附剂的制备及其吸附性能

2023-02-10 来源:华佗健康网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第59卷第9期 2008年9月 化 工 学 报 (China) Vo1.59 No.9 Journal of Chemical Industry and EngineeringSeptember 2008 Zn—Al类水滑石磷吸附剂的制备及其吸附性能 陈爱燕 ,程 翔 ,黄新瑞 ,孙德智。 ( 哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090; 北京林业大学环境科学与工程学院,北京100083) 摘要:采用共沉淀法制备了一系列zn—Al类水滑石吸附剂,并考察了制备条件对其磷酸盐吸附性能的影响。结 果表明,在制备温度为7O℃、共沉淀剂为NaOH、陈化时间为6 h及焙烧温度为300℃时得到的Zn—A1类水滑石 对城市污水处理厂污泥脱水液中磷酸盐的吸附效果最好,其饱和吸附容量达72.46 mg P・(g吸附剂) 。该吸 附剂吸附水中磷的动力学拟合效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。 关键词:Zn—A1类水滑石;污泥脱水液;吸附;磷酸盐 中图分类号:X 703 文献标识码:A 文章编号:0438—1157(2008)09—2270—06 Synthesis of Zn。lAI hydrotalcite。-like compounds as phosphate adsorbent and its adsorption capacity CHEN Aiyan ,CHENG Xiang ,HUANG Xinrui ,SUN Dezhi ( School of Municipal&Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,Heilongjiang,China; School of Environmental Science&Engineering,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China) Abstract:A series of Zn—A1 hydrotalcite—like compounds(HTALs)were synthesized by the coprecipitation method,and the factors affecting their phosphate adsorption capacity were investigated.The results showed that the highest phosphate adsorption up to 72.46 mg P・g一 in sludge filtrate of a sewage work by Zn—Al HTALs was obtained when the adsorbent was prepared at 7O℃using NaOH solution as the coprecipitant.aged for 6 h and calcined at 300℃for 4 h.The fitness of kinetic models for phosphate adsorption on Zn—A1—300 followed the order of pseudo second—order equation>Elovich equation>the pseudo first—order equation.In addition。the adsorption isotherm was shown as the Langmuir—type. Key words:Zn—A1 HTALs;sludge filtrate;adsorption;phosphate 士 丘 磷资源浪费,从污水中回收磷、实现磷资源的可持 续利用已十分迫切。 各类生物除磷工艺没有将磷酸盐彻底从系统中 去除,而是将其转移至大量的剩余污泥中,回收磷 含磷化合物的过度排放是导致水体富营养化及 “赤潮”的主要原因,同时,日益匮乏的磷矿资源 已被列为2010年以后不能满足我国国民经济发展 需要的2O种矿产之一[ 。为了有效地控制污染及 及污泥处置都十分困难。化学沉淀法除磷效果较 好,但需要持续消耗药剂,造成成本增加,同时所 2DO7—12—14收到初稿,2O08一O3一O5收到修改稿。 Received date:2007—12—14. Corresponding author:Prof.SUN Dezhi.E—mail:sdzlah 联系人:孙德智。第一作者:陈爱燕(1984一),女,硕士研 究生。 @126.tom Foundation item:supported by the National Basic Research 基金项目:国家重点基础研究发展计划项目 (2004CB418505);黑龙江省杰出青年基金项目。 Program of China(2004CB418505). 维普资讯 http://www.cqvip.com

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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