改性膨润土处理含磷废水的研究

葛 玲 王翔宇 朱秋雨

(辽宁工业大学 化学与环境工程学院，辽宁 锦州 121001)

含磷废水来源于化工行业、制药业以及肥料流失等工业生产。磷是引起水体富营养化的关键营养物质[1]。一旦出现富营养化，就会使得水中生物因缺氧而大量死亡，而这些死亡的水生生物分解需要氧，从而恶性循环，直至消耗完水体中的氧。最终天然水体变为黑臭水体。

我国膨润土的储量位居世界前列，产量和出口量非常巨大[2]。膨润土主要成分是蒙脱土，其性质与蒙脱石种类和含量有关，由于膨润土两层硅氧四面体之间靠分子间范德华力连结，没有氢键结合力，该结构不牢靠，受到外力作用或者遇到极性水分子作用会使层间膨胀甚至脱离，这就使得膨润土可作为天然吸附剂，通过改性方法改性后可进一步改善其吸附性能[3]。利用氢氧化钠对膨润土进行改性处理可提高其吸附能力，除去含磷废水中大部分的磷。

1 实验部分

1.1 实验材料及药品

膨润土、钼酸铵、抗坏血酸、磷酸二氢钾、过硫酸钾、硫酸、氢氧化钠。

1.2 实验设备

水浴恒温振荡器、电热恒温鼓风干燥箱、可见分光光度计、电子天平、酸度计。

1.3 实验方法

1.3.1 磷标准曲线的绘制

采用钼蓝分光光度法，按文献[4]绘制磷标准曲线，得到拟合方程为：

y=0.45116x+0.01473

式中：x—溶液中磷的质量，μg；

y—经空白校正后吸光度。

1.3.2 膨润土的预处理

将膨润土碾细、碾碎，用水制成泥浆，静置过夜。第二天取泥浆加水制成土浆，静置过夜。直至泥浆下层砂石不可见，将其置于瓷托盘放到烘干炉中200℃烘干12小时。

1.3.3 膨润土的改性

取2 g预处理后的膨润土加入到150 mL磨口瓶中，加入8 ml一定浓度的改性剂(氢氧化钠溶液)，置于水浴恒温振荡器中，在160 r/min的转速下振荡一定时间，放入电热鼓风干燥箱中以105℃恒温烘干至恒重，得到改性膨润土。膨润土的改性效果用相同条件下吸附实验中的磷去除率来加以衡量。

1.3.4 改性膨润土处理含磷废水

在150 mL磨口瓶中加入50 mL浓度为10 mg/L的模拟含磷废水，再加入一定量改性膨润土，调节废水pH为7，将锥形瓶放入恒温水浴振荡器中，以160 r/min振荡一定时间，过滤，用钼酸盐分光光度法测定滤液中的磷浓度，计算磷去除率。

2 结果与讨论

2.1 膨润土的改性

2.1.1 改性温度对膨润土改性效果的影响

固定膨润土加入量为2 g、4 mol/L氢氧化钠溶液加入量为8 mL、改性时间为70 min、改性温度分别为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃和45℃，考察其对膨润土改性效果的影响。

改性温度对膨润土改性效果的影响如图1所示。

由图1可以看出，当改性温度低于30℃时，磷去除率随着改性温度的升高而提高，这是因为改性温度越高，改性反应进行的越剧烈，改性效果越好，磷去除率越高；当改性温度达到30℃时，改性反应已足够剧烈，再提高改性温度，对改性效果影响不大，磷去除率基本没有变化。

图1 改性温度对膨润土改性效果的影响

故选取最佳改性温度为30℃。

2.1.2 改性时间对膨润土改性效果的影响

固定膨润土加入量为2 g、氢氧化钠溶液加入量为8 mL、改性温度为25℃、氢氧化钠浓度4 mol/L，改变改性时间分别为40 min、50 min、60 min、70 min、80 min、90 min，考察其对膨润土改性效果的影响。

改性时间对膨润土改性效果的影响如图2所示。

图2 改性时间对膨润土改性效果的影响

从图2可以看出，当改性时间少于70 min时，磷去除率随着改性时间的延长提高，这是因为改性时间越长，氢氧化钠与膨润土接触越充分，改性程度越高，改性效果就越好，磷去除率越高；当改性时间达到70 min时，氢氧化钠对膨润土的改性已基本完成，再延长时间，对改性效果已没有太大影响，磷去除率基本不变。

故选取最佳改性时间为70 min。

2.1.3 改性剂浓度对膨润土改性效果的影响

固定膨润土加入量为2 g、氢氧化钠溶液加入量为8 mL、改性温度为25℃、改性时间为60 min，改变氢氧化钠浓度分别为1 mol/L、2 mol/L、3 mol/L、4 mol/L、5 mol/L和6 mol/L，考察其对膨润土改性效果的影响。

改性剂浓度对膨润土改性效果的影响如图3所示。

图3 改性剂浓度对膨润土改性效果的影响

从图3可以看出，当氢氧化钠浓度达到4 mol/L时，磷去除率随着浓度的增大而提高，当吸附剂浓度达到4 mol/L时，去除率达到顶峰，浓度继续升高，去除率变化极小，这是因为膨润土层中的金属离子已被置换殆尽，达到最大饱和，即便钠离子再增加，对磷的去除率不会有变化。

故选取最佳改性剂浓度为4 mol/L。

2.2 改性膨润土处理含磷废水

2.2.1 吸附温度对磷去除率的影响

固定改性膨润土投加量为2.0g、吸附时间为60 min、废水pH为7，改变吸附温度分别为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃和45℃，考察其对磷去除效果的影响。

吸附温度对磷去除率的影响如图4所示。

图4 吸附温度对磷去除率的的影响

从图4可以看出，当吸附温度低于35℃时，磷去除率随着吸附温度的升高而提高；超过35℃后再升高吸附温度，磷去除率下降。这是因为，超过35℃后，物理吸附量随温度升高急剧降低，从而降低其对磷的总吸附量，磷去除率降低。

故选取最佳吸附温度为35℃。

2.2.2 吸附时间对磷去除率的影响

固定吸附温度为30℃、改性膨润土加入量为0.5 g、废水pH为7，改变吸附时间分别为30 min、40 min、50 min、60 min、70 min和80 min，考察其对磷去除效果的影响。

吸附时间对磷去除率的影响如图5所示。

图5 吸附时间对磷去除率的影响

从图5可以看出，当吸附时间低于50 min时，磷去除率随着吸附时间的延长而提高，在50～60 min开始平缓，吸附时间达到60 min后上升趋势已基本停止。在吸附反应初期，含磷极性分子进入膨润土层，逐渐填充膨润土层间的间隙与孔洞这两种反应相对稳定，在反应初期的吸附速率较快，50 min后逐渐变缓，是因为离子交换速度比物理吸附快的多，离子交换率先反应结束，只剩下物理吸附，所以吸附速率减缓，60 min时吸附基本达到平衡状态。

故选取最佳吸附时间为60 min。

2.2.3 改性膨润土用量对磷去除率的影响

固定吸附温度为30℃、吸附时间为60 min、废水pH为7，改变改性膨润土加入量分别为0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g、2.5 g和3.0 g，考察其对磷去除效果的影响。

吸附剂用量对磷去除率的影响如图6所示。

从图6可以看出，当改性膨润土用量低于2.0g时，磷去除率随着改性膨润土用量的增多而提高，磷去除率越高；当改性膨润土用量达到2.0 g时，废水中磷离子已基本被吸附完全，再增加改性膨润土用量，磷去除率没有明显变化。

图6 改性膨润土用量对磷去除率的影响

故选取最佳改性膨润土用量为2.0 g。

3 结论

采用氢氧化钠对膨润土进行改性，利用改性膨润土处理含磷废水，通过实验得出以下结论：

(1)利用氢氧化钠对膨润土进行改性，可提高其对磷离子的吸附能力。

(2)改性膨润土可对废水中的磷离子进行物理吸附和离子交换吸附。

(3)采用改性膨润土处理含磷废水，可使废水中磷的浓度由10 mg/L降到0.5 mg/L，磷去除率达95%。