林建偉,詹艷慧,陸 霞 (上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306)

鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨的吸附特性

林建偉,詹艷慧*,陸 霞 (上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306)

采用鋯對天然沸石進(jìn)行改性,并研究了鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨的吸附特性.結(jié)果表明,鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨均具有很好的吸附能力.鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨的吸附動力學(xué)過程滿足準(zhǔn)二級動力學(xué)模型.Langmuir、Freundlich和Dubinin–Radushkevich(D–R)等溫吸附模型可以很好地描述鋯改性沸石對水中磷酸鹽的等溫吸附行為.Langmuir等溫吸附模型可以很好地描述鋯改性沸石對水中銨的等溫吸附行為.由 Langmuir等溫吸附模型計(jì)算得到鋯改性沸石對磷酸鹽和銨的最大吸附容量分別達(dá)到26.2,7.82 mg/g.熱力學(xué)參數(shù)表明鋯改性沸石對水中磷酸鹽的吸附是自發(fā)的吸熱反應(yīng)過程.鋯改性沸石對水中磷酸鹽的吸附能力隨著 pH值的增加而降低.當(dāng)pH4～8時(shí),鋯改性沸石對水中銨的吸附能力較高;當(dāng)pH低于4或高于8時(shí),對銨的吸附能力下降.水中共存的Cl-、SO42-、HC和 NO3-等陰離子對鋯改性沸石吸附磷酸鹽的影響很小,而共存的 SiO32-對磷酸鹽的吸附則具有較強(qiáng)的負(fù)面影響.水中共存的 Ca2+和Mg2+對鋯改性沸石吸附銨的影響較小,而共存的K+和Na+對銨的吸附則具有較強(qiáng)的負(fù)面影響.鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽的主要機(jī)制是陰離子配位體的交換,吸附水中銨的主要機(jī)制是與沸石中可交換陽離子的離子交換.

鋯改性沸石；磷酸鹽；銨；吸附

氮和磷是引起水體富營養(yǎng)化的 2種關(guān)鍵營養(yǎng)元素[1-3].廢水中的氮和磷主要以銨和磷酸鹽的形式存在[3-4].吸附法是一種可以有效去除廢水中銨和磷酸鹽的方法[1-5].應(yīng)用吸附法去除廢水中銨和磷酸鹽的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題是選擇合適的吸附劑材料.沸石是呈骨架狀結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽晶體,沸石硅氧四面體晶體結(jié)構(gòu)中的硅離子被鋁離子部分置換,使得沸石骨架帶有過剩的負(fù)電荷,這些過剩負(fù)電荷通常由一價(jià)或二價(jià)陽離子(Na+、K+、Mg2+和Ca2+等)所平衡[6].因此,沸石具有較強(qiáng)的陽離子交換能力.近年來,利用沸石的離子交換特性去除水中銨的研究較多[3,6-15].但是沸石對水中磷酸鹽的去除能力卻非常有限[16-17].已有研究表明,無定形氫氧化鋯、鋯負(fù)載纖維吸附劑和鋯負(fù)載橙子廢物凝膠對水中的磷酸鹽具有很強(qiáng)的吸附能力[18-20].目前國內(nèi)外已經(jīng)有關(guān)于鋯改性沸石去除水中氟離子的研究報(bào)道[21-22],但是關(guān)于鋯改性沸石去除水中磷酸鹽和銨的研究尚鮮見報(bào)道.為此,本研究制備了一種鋯改性沸石,并考察了該鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨的吸附性能,以期為利用鋯改性沸石去除水中磷酸鹽和銨提供參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用天然沸石產(chǎn)自浙江省縉云縣.該天然沸石的陽離子交換容量為1300～1800mmol/kg, Si/Al物質(zhì)的量比為4.25～5.25.X射線衍射分析結(jié)果表明,該天然沸石的主要礦物成分為斜發(fā)沸石、絲光沸石和二氧化硅,它們的質(zhì)量含量分別為66%、19%和15%.天然沸石經(jīng)過研磨過篩得粒徑＜0.075 mm 的樣品備用.實(shí)驗(yàn)所需的KH2PO4、NH4Cl和ZrOCl2·8H2O等化學(xué)試劑均為分析純.實(shí)驗(yàn)用水為去離子水.

1.2 鋯改性沸石制備與表征

分別稱取10g ZrOCl2·8H2O和20g沸石放入500mL錐形瓶中,然后加入 200mL去離子水,磁力攪拌使氧氯化鋯溶解且使沸石處于懸浮狀態(tài);攪拌過程中滴加 1.5mol/L的氫氧化鈉溶液使混合液的pH值調(diào)節(jié)至10,繼續(xù)攪拌2h后,進(jìn)行固液分離,并采用去離子水洗至上清液pH7.0左右,最后將固體置于 105℃烘箱內(nèi)烘干,破碎后即得鋯改性沸石.

采用pH漂移法測定鋯改性沸石的零電荷點(diǎn),方法為:將50 mL濃度為0.01 mol/L的NaNO3溶液放入一系列100mL聚乙烯塑料瓶中,用濃度為0.1mol/L的HCl溶液或NaOH溶液將NaNO3溶液的pH調(diào)至2～11,平衡2h后測量溶液的pH,記為 pHi;稱取定量的鋯改性沸石,投加到上述溶液中,再置于30℃恒溫水浴振蕩器中間歇振蕩72h后測定上清液的pH,記為pHf,并計(jì)算△pH=pHi?pHf;以pHi為橫坐標(biāo),△pH為縱坐標(biāo)作圖,所得曲線與橫坐標(biāo)交點(diǎn)即為鋯改性沸石的零電荷點(diǎn)(pHZPC).

采用XRD衍射儀對所得鋯改性沸石的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,XRD儀采用Cu靶和Kα射線源,操作電壓和電流分別為40kV和40mA,掃描范圍為2θ=5～90°.所得的XRD圖譜通過High–Score Plus files軟件進(jìn)行分析.

1.3 吸附實(shí)驗(yàn)

移取25 mL一定初始濃度磷酸鹽或銨溶液放入100mL錐形瓶中,然后放入一定量的鋯改性沸石,將混合液置于恒溫振蕩器中以150r/min的振蕩強(qiáng)度振蕩至預(yù)定時(shí)間,反應(yīng)結(jié)束后4000r/min離心分離,分別采用鉬銻抗分光光度法和水楊酸-次氯酸鹽分光光度法測定上清液中磷酸鹽和銨的殘留濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附劑表征

圖1 鋯改性沸石的ΔpH與pHi關(guān)系Fig.1 Change in ΔpH of Zr modified zeolite as a function of pHi

由圖1可知,鋯改性沸石的零電荷點(diǎn)(pHZPC)為7.17.將鋯改性沸石的XRD圖譜(圖2)與XRD標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比對,發(fā)現(xiàn)鋯改性沸石含斜發(fā)沸石、絲光沸石和石英等礦物成分,并且沒有發(fā)現(xiàn)明顯的鋯氧化物或鋯氫氧化物特征衍射峰.這說明采用鋯對天然沸石進(jìn)行改性不會改變天然沸石的晶體結(jié)構(gòu).

圖2 鋯改性沸石的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of Zr modified zeolite

2.2 吸附劑投加量的影響

由圖3可見, 當(dāng)溶液體積V為25mL,溶液pH7,反應(yīng)溫度T為303K,反應(yīng)時(shí)間t為24h,磷酸鹽和銨初始濃度C0分別為50,10mg/L時(shí),鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨的去除率均隨吸附劑投加量的增加而增大.這是因?yàn)殡S著吸附劑投加量的增加可供吸附的活性點(diǎn)位增加,從而使得被吸附的吸附質(zhì)總量隨之增加[23].鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨的單位吸附量隨著吸附劑投加量的增加而降低.

2.3 溶液pH值的影響

溶液pH值的變化可能會使吸附劑表面的電荷和水中吸附質(zhì)的存在形態(tài)發(fā)生改變,從而影響吸附劑對水中吸附質(zhì)的吸附能力.由圖 4可知,當(dāng)C0為50mg/L,吸附劑投加量m為50mg,V為25mL,T為303K,t為24h時(shí),鋯改性沸石對水中磷酸鹽的吸附能力隨著溶液 pH值的升高而降低.沸石的硅鋁四面體骨架本身帶負(fù)電,它不可能通過靜電吸引作用吸附去除溶液中帶負(fù)電的磷酸鹽[17].鋯氫氧化物吸附水中磷酸鹽的主要機(jī)制為陰離子配位體的交換[18-19,24].因此,鋯改性沸石中鋯氫氧化物表面的羥基可以與水中的磷酸鹽進(jìn)行配位體交換反應(yīng)形成配合物,從而去除水中的磷酸鹽.水中鋯改性沸石的零電荷點(diǎn)(pHZPC)為7.17,高于單純的氫氧化鋯的零電荷點(diǎn)(5.8)[24].當(dāng)水中的pH值較低時(shí)(低于氫氧化鋯的pHZPC),鋯改性沸石表面攜帶更多的正電荷,有利于水中的陰離子向吸附劑表面遷移,這有利于配合物的形成,從而導(dǎo)致鋯改性沸石對水中磷酸鹽的吸附能力增加[18,24].當(dāng)水中的pH值由3增加到pHZPC時(shí),鋯改性沸石表面所帶的正電荷隨之下降,使水中磷酸根離子向吸附劑表面遷移的量減少,從而導(dǎo)致鋯改性沸石對水中磷酸鹽的吸附能力下降.當(dāng)水中的pH值繼續(xù)升高(高于氫氧化鋯的pHZPC)時(shí),鋯改性沸石的表面攜帶更多的負(fù)電荷,吸附劑與水中磷酸根離子間的靜電排斥力增強(qiáng),這不利于水中陰離子向吸附劑表面的遷移,從而導(dǎo)致鋯改性沸石對水中磷酸鹽的吸附能力下降[18,24].

圖3 吸附劑投加量對鋯改性沸石吸附磷酸鹽和銨的影響Fig.3 Effect of dosage on phosphate and ammonium removal by Zr modified zeolite

由圖4還可知,當(dāng)C0為40mg/L,m為100mg,V為25mL,T為303K,t為24h時(shí), 隨著溶液pH值由3增加到4鋯改性沸石對水中銨的單位吸附量明顯增加;當(dāng)溶液pH值由4增加到8時(shí),鋯改性沸石對水中銨的單位吸附量基本保持不變;當(dāng)繼續(xù)提高溶液pH值至12時(shí),鋯改性沸石對水中銨的單位吸附量明顯下降.沸石吸附水中銨的主要機(jī)制是與沸石中可交換陽離子之間的離子交換[9].因此,陽離子交換是鋯改性沸石吸附水中銨的主要機(jī)制.溶液中的氨氮有兩種存在形態(tài),即 NH3·H2O和NH4+,并且這兩種形式的氨氮存在以下反應(yīng)[1]:

圖4 pH值對鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽和銨的影響Fig.4 Effect of pH on phosphate and ammonium removal by Zr modified zeolite

溶液pH值的改變會影響溶液中氨氮的存在形式.酸性條件下溶液中的氨氮主要以NH4+形式存在[15].當(dāng)溶液pH值較低時(shí),溶液中的H+濃度較高,H+會與NH4+發(fā)生競爭吸附;同時(shí)由于H+直徑比 NH4+直徑小,H+更容易進(jìn)入沸石孔道與陽離子進(jìn)行交換,從而使得鋯改性沸石對銨的單位吸附量較低[1,7,10].隨著溶液pH值由3增加到4時(shí),溶液中 H+濃度減小,H+與 NH4+之間的競爭作用減弱,從而導(dǎo)致鋯改性沸石對銨的單位吸附量增加[1,7,10].當(dāng)溶液pH值由8增加到12時(shí),溶液中以NH3·H2O形式存在的氨氮量增加,而沸石對溶液中NH3·H2O的親和力較低,從而導(dǎo)致鋯改性沸石對銨的單位吸附量降低[1].

2.4 吸附動力學(xué)

由圖5、圖6可知,鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨的單位吸附量隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增大,直至達(dá)到吸附平衡.相同的反應(yīng)條件下,鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨的單位吸附量隨吸附質(zhì)初始濃度的升高而增加.當(dāng)溶液中的吸附質(zhì)濃度越高,可供鋯改性沸石吸附的吸附質(zhì)就越多,同時(shí)溶液主體吸附質(zhì)濃度與吸附劑外表面液膜的膜內(nèi)吸附質(zhì)濃度之間的濃度差越大,吸附質(zhì)向吸附劑表面遷移的動力也就越大[25].因此,增大水中磷酸鹽或銨的濃度有利于提高鋯改性沸石的磷酸鹽或銨的單位吸附量.此外,相同的反應(yīng)條件下,鋯改性沸石對水中磷酸鹽的單位吸附量隨反應(yīng)溫度的增加而增加,說明溫度越高越有利于鋯改性沸石對水中磷酸鹽的吸附,也說明了該吸附過程是吸熱反應(yīng).當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí),不僅會使溶液中磷酸鹽克服鋯改性沸石表面液膜阻力的能力增強(qiáng),而且有利于鋯改性沸石表面吸附的磷酸鹽向內(nèi)部孔道遷移,從而導(dǎo)致鋯改性沸石對水中磷酸鹽的單位吸附量增大[25].

圖5 不同初始濃度條件下鋯改性沸石對磷酸鹽和銨的吸附動力學(xué)Fig.5 Adsorption kinetics of phosphate and ammonium on Zr modified zeolite at various initial adsorbate concentrations

圖6 不同溫度條件下鋯改性沸石對磷酸鹽吸附動力學(xué)Fig.6 Adsorption kinetics of phosphate on Zr modified zeolite at various temperatures

采用準(zhǔn)一級和準(zhǔn)二級動力學(xué)吸附模型[24-25]對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合.由表1和表2可見,準(zhǔn)二級動力學(xué)模型比準(zhǔn)一級動力學(xué)更適合用于描述鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨的吸附過程.

準(zhǔn)一級和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型不能識別擴(kuò)散機(jī)制的作用.因此,本研究將進(jìn)一步采用顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型識別擴(kuò)散機(jī)制是否為鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽和銨過程的速率限制步驟.顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型的數(shù)學(xué)方程可表達(dá)為[26]:

式中: ki為顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)(mg/g min0.5);C為截距.根據(jù)該模型,如果吸附過程涉及顆粒內(nèi)擴(kuò)散機(jī)制,則 qt對 t0.5的曲線應(yīng)該是線性的;如果顆粒內(nèi)擴(kuò)散機(jī)制是吸附過程的唯一速率限制步驟,則qt對t0.5直線應(yīng)通過原點(diǎn);如果qt對t0.5直線不通過原點(diǎn),則顆粒內(nèi)擴(kuò)散機(jī)制不是吸附過程唯一的速率限制步驟[26].由圖7可見,鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨的吸附過程可以分為3個(gè)階段: 第1階段為快速的外表面吸附階段;第 2階段為逐漸吸附階段,顆粒內(nèi)擴(kuò)散是該階段吸附過程的速率限制步驟;第3階段為最終平衡階段.第2階段的擬合曲線不通過原點(diǎn),這說明顆粒內(nèi)擴(kuò)散不是逐漸吸附階段唯一的速率限制步驟,逐漸吸附階段的速率限制步驟既包括液膜擴(kuò)散也包括顆粒內(nèi)擴(kuò)散.

表1 不同吸附質(zhì)初始濃度條件下鋯改性沸石吸附磷酸鹽和銨的動力學(xué)參數(shù)Table 1 Kinetic models rate constants for phosphate and ammonium adsorption onto Zr modified zeolite at various initial adsorbate concentrations

表2 不同反應(yīng)溫度條件下鋯改性沸石吸附磷酸鹽的動力學(xué)參數(shù)Table 2 Kinetic models rate constants for phosphate adsorption onto Zr modified zeolite at various temperatures

采用阿倫尼烏斯公式對鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽過程的表觀吸附活化能進(jìn)行了計(jì)算.阿倫尼烏斯公式可表述為[26]:

式中:Ea為表觀吸附活化能(kJ/mol);T為反應(yīng)溫度(K);A為指前因子;R為理想氣體常數(shù),8.314J/(mol?K).以1/T為橫坐標(biāo)和ln(k2)為縱坐標(biāo)作圖,由斜率確定鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽過程的表觀活化能為6.66 kJ/mol.計(jì)算得到的Ea為正值,說明鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽過程為吸熱反應(yīng).有研究指出,如果擴(kuò)散機(jī)制是吸附過程的速率限制步驟,則吸附活化能值應(yīng)小于 25～30kJ/mol[26].本研究的 Ea值進(jìn)一步證實(shí)了擴(kuò)散機(jī)制是鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽過程的速率限制步驟.

圖7 鋯改性沸石吸附磷酸鹽和銨的qt對t0.5曲線Fig.7 Plots of qt versus t0.5 for phosphate and ammonium adsorption onto Zr modified zeolite

2.5 吸附等溫線

由圖8可知,不同反應(yīng)溫度條件下鋯改性沸石對水中磷酸鹽的平衡單位吸附量隨著溶液中磷酸鹽平衡濃度的增加而增加.此外,鋯改性沸石對水中磷酸鹽的平衡單位吸附量隨著反應(yīng)溫度的增加而增大,這說明反應(yīng)溫度越高越有利于鋯改性沸石對水中磷酸鹽的吸附,也說明了該吸附過程屬于吸熱反應(yīng).鋯改性沸石對水中銨的平衡單位吸附量隨著溶液中銨平衡濃度的增加而增大直至達(dá)到平衡.

圖8 鋯改性沸石吸附磷酸鹽和銨的等溫吸附線Fig.8 Adsorption isotherms of phosphate and ammonium on Zr modified zeolite

采用 Langmuir、Freundlich和 Dubinin–Radushkevich(D–R)等溫吸附模型[27-29]對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合.由表 3可知,Langmuir、Freundlich和D–R等溫吸附模型均可以很好地描述鋯改性沸石對水中磷酸鹽的吸附.Langmuir等溫吸附模型與Freundlich和D–R等溫吸附模型相比,可以更好地描述鋯改性沸石對水中銨的吸附.根據(jù)Langmuir等溫吸附模型計(jì)算得到的當(dāng)溶液pH 7和反應(yīng)溫度為303K條件下鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨的最大單位吸附量分別為 26.2, 7.82mg/g.計(jì)算得到的1/n值均大于0.1小于1,這說明鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨的吸附是優(yōu)惠吸附.根據(jù)D-R等溫吸附模型計(jì)算得到的鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽的平均自由能為 16～18kJ/mol,這說明鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽的過程不屬于物理吸附過程或離子交換過程,而是一個(gè)以化學(xué)吸附為主的過程[27].這進(jìn)一步證實(shí)了鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽的主要機(jī)制是陰離子配位體的交換.根據(jù)D–R等溫吸附模型計(jì)算得到的鋯改性沸石吸附水中銨的平均自由能為11kJ/mol,介于8～16mol/kJ之間,這說明了鋯改性沸石吸附水中銨的過程是一個(gè)以離子交換為主的過程[27].這進(jìn)一步證實(shí)了鋯改性沸石對水中銨的主要吸附機(jī)制是陽離子交換.

表3 鋯改性沸石吸附磷酸鹽和銨的等溫吸附模型參數(shù)Table 3 Isotherm model parameters for phosphate and ammonium adsorption onto Zr modified zeolite

2.6 吸附熱力學(xué)

采用已公開報(bào)道的方法[30]對鋯改性沸石吸附磷酸鹽的熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,熱力學(xué)參數(shù)包括吉布斯自由能變化(Δ G0)、焓變( Δ H0)和熵變(ΔS0).由表4可知,當(dāng)反應(yīng)溫度為293, 303,313K時(shí),計(jì)算得到的 ΔG0為負(fù)值,這說明鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽的過程是熱力學(xué)自發(fā)過程.Δ H0為正值,這說明鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽的過程是吸熱反應(yīng).Δ S0為正值,這說明鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽的反應(yīng)增加了固-液界面上物質(zhì)的無序程度.

表4 鋯改性沸石吸附磷酸鹽的熱力學(xué)參數(shù)Table 4 Thermodynamic parameters for phosphate adsorption onto Zr modified zeolite

2.7 共存離子的影響

實(shí)際水體中往往存在著大量的Cl-、SO42-和HCO3-等陰離子,它們可能會對鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽產(chǎn)生影響.由圖 9可知,水中共存的Cl-、SO42-和 HCO3-等陰離子對鋯改性沸石吸附磷酸鹽的影響很小.這說明鋯改性沸石對水中磷酸鹽的吸附具有很好的選擇性.這與前人關(guān)于共存陰離子對鋯負(fù)載纖維吸附劑和鋯負(fù)載橙子廢物凝膠吸附劑吸附水中磷酸鹽影響的研究結(jié)果類似[19-20].實(shí)際水體中還可能含一定量的NO3-和SiO32-,它們也可能對鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽產(chǎn)生影響.為此,本研究也考察了N和SiO32-對鋯改沸石吸附水中磷酸鹽的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)水中共存的NO3-對鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽的影響很小,而水中共存的 SiO32-對鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽具有較強(qiáng)的負(fù)面影響.當(dāng)水中SiO32-濃度分別為1,2,4mmol/L時(shí),鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽的單位吸附量與不存在 SiO32-時(shí)的單位吸附量相比分別降低了 17.3%,28.0%, 40.2%.

實(shí)際水體中普遍存在K+、Na+、Ca2+和Mg2+等陽離子,它們可能會對鋯改性沸石吸附水中銨的過程產(chǎn)生影響.由圖 10可知,水中共存的 Ca2+和Mg2+對鋯改性沸石吸附銨的影響較小,而水中共存的 K+和 Na+則對鋯改性沸石吸附銨具有較強(qiáng)的負(fù)面影響.這主要是因?yàn)槿芤褐械腒+和Na+會與溶液中的NH4+競爭鋯改性沸石表面上的吸附位[10].

圖9 共存陰離子對鋯改性沸石吸附磷酸鹽的影響Fig.9 Effect of coexisting anions on phosphate adsorption onto Zr modified zeolite

圖10 共存陽離子對鋯改性沸石吸附銨的影響Fig.10 Effect of coexisting cations on ammonium adsorption onto Zr modified zeolite

3 結(jié)論

3.1 鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨均具有很好的吸附能力.鋯改性沸石對水中磷酸鹽的吸附能力隨著pH的增加而降低.當(dāng)pH4～8時(shí),鋯改性沸石對水中銨的吸附能力較高;當(dāng)pH低于4或高于8時(shí),對銨的吸附能力下降.

3.2 鋯改性沸石對水中磷酸鹽和銨的吸附過程遵循準(zhǔn)二級動力學(xué)模型.Langmuir、Freundlich和 D–R模型可以很好地描述鋯改性沸石對水中磷酸鹽的等溫吸附行為.Langmuir模型可以很好地描述鋯改性沸石對水中銨的等溫吸附行為.鋯改性沸石對水中磷酸鹽的吸附是自發(fā)的吸熱過程.

3.3 水中共存的Cl-、SO42-、HCO3-和N等陰離子對鋯改性沸石吸附磷酸鹽的影響很小,而共存的 SiO32-則對鋯改性沸石吸附磷酸鹽的影響較大;水中共存的Ca2+和Mg2+對鋯改性沸石吸附銨的影響較小,而共存的K+和Na+則對鋯改性沸石吸附銨具有較強(qiáng)的負(fù)面影響.

3.4 鋯改性沸石吸附水中磷酸鹽的主要機(jī)制是陰離子配位體的交換,吸附水中銨的主要機(jī)制是與沸石中可交換陽離子的離子交換.

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Adsorption of phosphate and ammonium from aqueous solution on zirconium modified zeolite.

LIN Jian-wei, ZHAN Yan-hui*, LU Xia (College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China). China Environmental Science, 2012,32(11)：2023～2031

The adsorption of phosphate and ammonium from aqueous solution on zirconium modified zeolite (ZrMZ) was investigated using batch experiments. ZrMZ was effective for phosphate and ammonium removal from aqueous solution. The adsorption kinetics data of phosphate and ammonium on ZrMZ could be well described by a pseudo-second-order model. The adsorption equilibrium data of phosphate on ZrMZ fitted well to the Langmuir, Freundlich and Dubinin–Radushkevich (D–R) isotherm models. The adsorption equilibrium data of ammonium onto ZrMZ fitted better to the Langmuir isotherm model than the Freundlich and D-R isotherm models. Based on the Langmuir isotherm, the maximum monolayer phosphate and ammonium adsorption capacities for ZrMZ were 26.2 and 7.82 mg/g at 303 K, respectively. Thermodynamic parameters showed that the adsorption of phosphate on ZrMZ was spontaneous and endothermic in nature. The phosphate adsorption capacity for ZrMZ decreased with increasing pH from 3 to 12. The ammonium adsorption capacity for ZrMZ was relatively high at pH 4～8, and decreased with increasing pH from 8 to 12 or with decreasing pH from 4 to 3. The presence of Cl-, SO42-, HCO3-and NO3-in aqueous solution had a slight effect on phosphate adsorption onto ZrMZ, while coexisting SiO32-reduced the phosphate adsorption capacity for ZrMZ. The presence of Ca2+and Mg2+had a slight effect on ammonium adsorption onto ZrMZ, while coexisting Na+and K+reduced the ammonium adsorption capacity for ZrMZ. The mechanism for phosphate adsorption onto ZrMZ was ligand exchange. The mechanism for ammonium adsorption into ZrMZ was cation exchange.

zirconium modified zeolite；phosphate；ammonium；adsorption

2012–03–20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50908142);上海市科學(xué)技術(shù)委員會項(xiàng)目(10230502900);上海市教委重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(J50702);上海海洋大學(xué)博士啟動基金項(xiàng)目(B-5301-11-0219)

* 責(zé)任作者, 講師, yhzhan@shou.edu.cn

X131.2

A

1000-6923(2012)11-2023-09

林建偉(1978–),男,浙江永嘉人,副教授,博士,主要從事水污染控制原理與技術(shù)研究.發(fā)表論文30多篇.