Advances in Environmental Protection
Vol.07 No.02(2017), Article ID:20321,6 pages
10.12677/AEP.2017.72019

Phosphate Removal from Dynamic Water by Activated Alumina

Xuandong Dang, Yufei Li*, Wenrong Ran, Hang Zhang, Siman Huang

Northeast Forestry University, Harbin Heilongjiang

Received: Apr. 8th, 2017; accepted: Apr. 25th, 2017; published: Apr. 30th, 2017

ABSTRACT

Activated alumina was studied for removing phosphate from the dynamic water, and the activated aluminum was recovered. The results showed that: with the increase of adsorption water, phosphorus removal rate decreased gradually; in the specific test conditions, the phosphorus removal rate can reach 99.6%. Besides, flow rate also has an important influence on the adsorption rate; the optimum condition of pH was 5 - 6. The activated alumina treated by NaOH (0.1 mol·L−1) could be used for cyclic adsorption.

Keywords:Activated Alumina, Adsorption, Phosphate Removal

活性氧化铝去除动态水中磷的研究

党煊栋,李雨霏*,冉文容,张航,黄丝曼

东北林业大学,黑龙江 哈尔滨

收稿日期:2017年4月8日;录用日期:2017年4月25日;发布日期:2017年4月30日

摘 要

实验研究了动态条件下活性氧化铝对水体中磷的吸附,并对活性氧化铝进行了再生。结果表明,随着吸附水量的增加,磷去除率逐渐下降,在试验特定条件下,磷去除率可达到99.6%。流量对吸附效果也具有重要影响,最适吸附的pH为5~6。经过0.1 mol/L的NaOH溶液处理过的活性氧化铝可进行循环吸附。

关键词 :活性氧化铝,吸附,除磷

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1. 引言

近年来湖泊富营养化日益严重,水华现象在我国多次发生,太湖,滇池,尼尔基水库等都爆发过水华,给水体的功能带来严重的影响,使得藻类爆发,鱼虾死亡,水质严重下降。废水中的磷排入水体是造成水体富营养化的主要原因。作为富营养化的主要限制因子,磷控制对于富营养化水体修复具有重要意义 [1] 。相关研究表明 [2] [3] ,磷作为限制因子时,水体中溶解性正磷酸盐的浓度低于10 ug/L时,磷将会表现出对水体中细菌生长的限制作用。除磷常用的方法是化学方法和生物方法,但他们各有缺陷。吸附法除磷由于流程简单,无二次污染,吸附剂可重复利用,成为近年来研究的重点。目前对动态除磷的研究较主要集中在生物法除磷方面,主要是对传统生物除磷的设备及流程改进,如江田民、杨海光、陈筛林等研究了动态气升式环流反应器对生物除磷的效果 [4] 。活性氧化铝吸附主要应用于饮用水的除氟,对于其吸附除磷研究较少且主要为静态吸附。

活性氧化铝是一种比表面大,吸附性能好,耐酸、碱性好,热稳定性好的吸附剂。在活性氧化剂表面发生吸附--解吸,不仅达到了除磷的效果,还可进行磷的回收。通过对活性氧化铝的再生,可使其循环利用,降低了除磷的成本。目前对于磷的动态吸附试验鲜有研究,本试验针对活性氧化对磷的动态吸附进行了研究。

2. 实验装置与方法

2.1. 实验材料与仪器

实验采用市售吸附氟的球状活性氧化铝,粒径为3 - 5 mm,其为白色球状多孔性颗粒,松装密度 ≤ 0.75 g/ml,比表面积 ≥ 260 m2/g,孔容积 ≥ 0.40 ml/g,破碎强度 ≥ 80 N/颗,灼烧减量 ≤ 8%,表面光滑,机械强度大,吸湿性强,吸水后不胀不裂保持原状,无毒、无臭、不溶于水。吸附溶液用KH2PO4(分析纯)配制而成,活性氧化铝再生剂用NaOH(分析纯)配制而成。

实验仪器采用722分光光度计(中国上海仪器三厂),手提式压力蒸汽灭菌器,pH酸度计等。

2.2. 实验设备

实验设备自制。由高位储液槽,玻璃转子流量计,吸附柱,低位储液槽,导管等组成。吸附柱为玻璃制品,高100 mm,内径45 mm。流量计,最大量程25 L/h。在高位槽中加入配制的含磷水体,打开阀门后水体经过流量计进入吸附柱,吸附后的液体流入低位储液槽中。设备简图如图1

2.3. 实验方法

试验通过同一流量不同浓度、同一浓度不同流量以及不同pH值的条件下磷的去除率来探讨活性氧化铝去除动态水中磷的效果。磷浓度的测定依据GB11893-89 (钼酸铵分管光度法)测定。吸附饱和的活性

氧化铝用0.1 mol/L的NaOH溶液再生。吸附试验中磷溶液用蒸馏水和磷酸二氢钾配制而成,用NaOH溶液H2SO4溶液调节磷溶液的pH,除pH对磷吸附的影响试验外,其它试验磷溶液的pH值均为7左右。吸附柱中活性氧化铝填料高度均为55 cm,质量为640 g。前人研究活性氧化铝除磷多为静态除磷 [5] [6] ,本试验采取动态吸附,吸附水量大,同时可根据出水磷含量大小调整进水流量,从而保证出水磷含量达到排放标准,更适合于工业上吸附除磷,实际应用性更强,其试验数据可作为工业动态除磷的参考。

3. 结果与分析

3.1. 初始浓度对吸附效果的影响

改变进水中磷的初始浓度,在不同浓度下进行吸附实验,实验表明,在其他条件相同的情况下,进水中磷的浓度越高,动态吸附的磷的去除率越低。如图2所示。在流量为4 L/h,填料为55 cm (640 g)在相同的吸附水量下,浓度为10 mg/L的水体中的磷去除率更低。当吸附水量为6 L时,浓度为10 mg/L的水体中磷的去除率为99.06%,浓度为6 mg/L的水体磷的去除率为99.5%。随着吸附水体的增多,两种

Figure 1. Equipment diagram

图1. 设备简图

Figure 2. The influence of initial concentration on the removal of phosphorus

图2. 初始浓度对磷去除率的影响

浓度的水体的磷去除率均下降,当吸附水体为100 L时,浓度为10 mg/L的水体磷的去除率为34%左右,浓度为6 mg/L的水体磷的去除率为60%左右。

3.2. 不同进水流量对动态吸附的影响

在动态吸附实验中,不同的进水流量实际表示了磷溶液在吸附柱中停留时间的长短。实验填料依旧为640 g,磷水体浓度为10 mg/L。分别对不同流量的的磷水体进行吸附。吸附结果如图3。当流量为5 L/h时,磷去除率达到97.4%,随着流量的增大,磷去除率逐渐减小,当流量为20 L/h时去除率为75.7%。在此条件下,流量小于15 L/h则去除率能达到90%以上。

3.3. pH对吸附效果的影响

试验以进水磷浓度为10 mg/L,流量为4 L/h,在不同pH条件下进行吸附,试验结果如图4。实验表

Figure 3. The influence of water flow on phosphorus removal

图3. 进水流量对活性氧化除磷的影响

Figure 4. The influence of water pH on phosphorus removal

图4. pH对活性氧化铝除磷的影响

明,当pH小于4时吸附效果较差,pH为4时的磷去除率为69%。pH在5 - 6期间时吸附效果最佳,磷去除率达到92%,当pH大于9时,磷去除效果较差,pH为9时磷去除率仅为56%。这说明在pH在5 - 6期间时对磷的吸附效率最高,是设备运行的最佳pH范围。这与王挺、王三反 [7] 研究结果吻合。

通常认为活性氧化铝的除磷机理为:活性氧化铝表面的分子先与水分子结合,生成氢氧化铝,然后再与磷酸根离子发生交换,生成磷酸盐。吸附过程存在以下平衡:

Al2O3 + 3H2O ↔ 2Al(OH)3

Al(OH)3 + ↔ AlPO4 + + 2H2O

由该吸附反应式可知,随着吸附的进行,溶液pH值会逐渐升高,因此,低pH值对磷吸附有利,但pH值过低会造成活性氧化铝的酸溶解,不利于吸附进行 [8] 。另一方面,在酸性条件下,活性氧化铝表面带正电荷,表面的Zeta电位随pH的升高而降低。孟文娜等 [9] 研究表明,在pH为6.5时活性氧化铝表面的Zeta电位已经很低,零点电荷的pH约为8.5,大于8.5时活性氧化铝将带负电。综上所述,活性氧化铝的吸附是离子交换和静电吸附的综合作用。表面络合吸附理论认为 [10] ,活性氧化铝固体表面的铝离子首先与配位体水分子络合,络合配位体水分子在氧化物表面发生质子迁移过程,形成羟基,羟基的氧化物表面随着水溶液pH值的不同而不同,吸附H+或OH−,产生表面带电现象,因此发生静电吸附,活性氧化铝的吸附同时存在离子交换和静电吸附的双重作用,这使得除磷效率大幅度提高。活性氧化铝对阴离子的吸附亲和力顺序为:OH > > F > > Cl > NO−3,因此使用活性氧化铝去除低浓度水体中的磷是一个很好的选择。

3.4. 氧化铝的再生和利用

活性氧化铝除磷有很多优点,但是为了材料的循环利用,必需进行活性氧化铝的再生。选用再生剂的依据是:0.1 mol/L的NaOH是磷分级提取中用于提取测定土壤或底泥中铁铝结合态磷的试剂;0.1 mol/L的NaOH则是为了考察较低的NaOH对活性氧化铝的再生效果 [11] 。吸附饱和的活性氧化铝用蒸馏水清洗,然后浸泡在0.1 mol/L的NaOH溶液中,并在超声波清洗仪中清洗30 min,浸泡2 h后用蒸馏水多次冲洗、烘干。经过再生的的活性氧化铝再次进行磷吸附试验,试验结果如图5。试验表明,经过再生的

Figure 5. The influence of regeneration of activated alumina on phosphorus removal

图5. 再生活性氧化铝对磷的去除

活性氧化铝依然具有较高的吸附性能,再生后的活性氧化铝对磷最大去除率可达到82.8%,随着活性氧化铝的多次吸附与再生,其对磷的去除效果逐渐下降,当活性氧化铝再生6次后,对磷的去除率只有22%。同时也表明0.1 mol/L的NaOH溶液再生的活性氧化铝可循环使用。

4. 结论

市售吸附氟的球状活性氧化铝对磷的吸附具有很好的效果。在动态填料吸附试验中,活性氧化铝依旧能去除水体中的磷。这为工业活性氧化铝去除水体中的磷提供了基本参数。

在一定的填料量下,影响动态除磷的主要因素有,进水浓度,水体pH,进水流量。在填料为640 g,进水流量为4 L/h的条件下,磷的去除率可达99%以上。

活性氧化铝吸附除磷的最佳pH范围为5 - 6。吸附饱和后的活性氧化铝经NaOH溶液再生后可循环使用。

文章引用

党煊栋,李雨霏,冉文容,张航,黄丝曼. 活性氧化铝去除动态水中磷的研究
Phosphate Removal from Dynamic Waterby Activated Alumina[J]. 环境保护前沿, 2017, 07(02): 127-132. http://dx.doi.org/10.12677/AEP.2017.72019

参考文献 (References)

  1. 1. Xu, K., Deng, T., Liu, J., et al. (2010) Study on the Phosphate Removal from Aqueous Solution Using Modified Fly Ash. Fuel, 89, 3668-3674. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2010.07.034

  2. 2. 桑军强, 余国忠, 等. 磷与水中细菌再生长的关系[J]. 环境科学, 2003, 24(4): 81-84.

  3. 3. Sathasivan, A., Ohgaki, S., Yananoto, K., et al. (1997) Role of Inorganic Phosphorus in Controlling Regrowth Water Distribution System. Water Science & Technology, 35, 37-44.

  4. 4. 江田民, 杨海光, 等. 动态气升式环流反应器对生物除磷的强化作用[J]. 环境科学研究, 2003, 16(2): 35-38.

  5. 5. 王俊岭, 冯萃敏, 等. 活性氧化铝过滤去除微量磷试验[J]. 北京工业大学学报, 2008, 34(6): 621-625.

  6. 6. 宁平, 邓春玲, 等. 活性氧化铝吸附水中的磷酸盐[J]. 有色金属, 2002, 54(1): 37-39.

  7. 7. 王挺, 王三反, 等. 活性氧化铝除磷吸附作用的研究[J]. 水处理技术, 2009, 35(3): 35-38.

  8. 8. 彭会清, 安显威. 吸附法在废水除磷中的应用[J]. 辽宁化工, 2006, 35(9): 532-533.

  9. 9. 孟文娜, 谢杰, 等. 活性氧化铝对水中磷的去除与回收研究[J]. 环境科学, 2013, 34(1): 231-236.

  10. 10. 王峰, 张昱, 等. 活性氧化铝对饮用水中氟离子的吸附行为[J]. 中国农业大学学报, 2003, 8(4): 63-65.

  11. 11. 孟文娜, 谢杰, 等. 活性氧化铝对水中磷的去除与回收研究[J]. 环境科学, 2013, 34(1): 231-236.

  12. NOTES

    *通讯作者。

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