【摘 要】
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氮和磷是水体中最为常见的两种元素,过量的氮和磷排入水体将严重影响水体的生态环境平衡,引发水体富营养化。研究发现,氨氮和磷酸根是引发水体富营养化的两种主要物质。目前已有多种水体净化技术被用于去除NH4+-N和PO43-,其中吸附法因其高效、操作简便、价格低廉等优点而被广泛研究。本研究利用氧化还原-共沉淀法制备了两种复合金属氧化物掺杂沸石材料,铁铝锰复合金属氧化物掺杂沸石(Iron,aluminium
【基金项目】
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陕西省重点研发项目计划(2019ZDLSF05-03); 国家重点研发计划子课题(2019YFD1100102-04);
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氮和磷是水体中最为常见的两种元素,过量的氮和磷排入水体将严重影响水体的生态环境平衡,引发水体富营养化。研究发现,氨氮和磷酸根是引发水体富营养化的两种主要物质。目前已有多种水体净化技术被用于去除NH4+-N和PO43-,其中吸附法因其高效、操作简便、价格低廉等优点而被广泛研究。本研究利用氧化还原-共沉淀法制备了两种复合金属氧化物掺杂沸石材料,铁铝锰复合金属氧化物掺杂沸石(Iron,aluminium and manganese metal oxides doped with zeolite,FAMZ),铁铝镁锰复合金属氧化物掺杂沸石(Iron,aluminium,magnesium and manganese metal oxides doped with zeolite,FAMMZ),并对比分析了两种吸附剂对水体中NH4+-N和PO43-的去除效果。主要结果如下:(1)利用比表面积分析仪(BET)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、EDS元素维度分步谱(Mapping)、红外光谱(FTIR)、Zeta电位等分析FAMZ和FAMMZ的结构特征和物化性质。结果表明,FAMZ和FAMMZ中主要元素包括C、O、Na、Al、Si、S、K、Mn、Fe,与FAMZ形成对比的是,FAMMZ中有Mg元素的存在;FAMZ的比表面积为47.80 m~2/g,小于FAMMZ的93.18 m~2/g,这说明添加镁氧化物能够增大FAMMZ的比表面积;此外,FAMMZ的Zeta电位相对于FAMZ有所增大,有利于PO43-的吸附。(2)单独吸附NH4+-N时,FAMZ和FAMMZ对NH4+-N的吸附均符合拟二级动力学模型,吸附过程以化学吸附为主;FAMZ和FAMMZ吸附NH4+-N的等温线数据符合Langmuir模型,表明FAMZ和FAMMZ对NH4+-N的吸附是单层吸附;随着p H由3升高至10,FAMZ和FAMMZ对NH4+-N的吸附量呈现出先增大后减小的趋势;共存阴离子对FAMZ和FAMMZ吸附NH4+-N的抑制作用由强到弱依次为SO42->F->HCO3->Cl-,并且随着阴离子浓度的增加而加剧,阳离子K+、Ca2+也会抑制FAMZ和FAMMZ对NH4+-N的吸附,这是因为阳离子之间存在竞争作用。(3)单独吸附PO43-时,FAMZ和FAMMZ对PO43-的吸附均符合拟二级动力学模型,吸附过程以化学吸附为主;Sips模型和Langmuir模型都能很好的描述FAMZ和FAMMZ吸附PO43-的等温线特征,分析表明FAMZ和FAMMZ表面存在着多种可吸附PO43-的活性位点;随着p H由3升高至10,FAMZ和FAMMZ对PO43-的吸附量显著降低;SO42-、F-、HCO3-对FAMZ和FAMMZ去除PO43-也起一定程度的抑制作用,其中F-对去除PO43-抑制作用最显著,其干扰作用主要受阴离子之间的竞争吸附影响。与之形成对比的是,Ca2+对FAMZ和FAMMZ去除PO43-表现出轻微的促进作用,这主要是因为Ca2+可以与PO43-反应,形成无定形的磷酸钙。(4)与两种吸附剂单独吸附NH+4-N和PO43-相比,FAMZ和FAMMZ同步吸附NH4+-N&PO43-时,两者在FAMZ表面上饱和吸附量分别从单独体系下的21.09 mg/g和26.10mg/g变为18.01 mg/g和22.99 mg/g,这说明NH+4-N与PO43-在吸附过程中存在相互竞争。而对于FAMMZ同步吸附NH+4-N与PO43-表面饱和吸附量分别从单独体系下的26.59 mg/g和27.55 mg/g降为24.46 mg/g和27.27 mg/g,降幅有所减少,这说明镁氧化物的加入增加了FAMMZ表面的活性位点,减轻了两种污染物的干扰吸附作用。(5)通过对吸附前后样品的SEM-EDS-Mapping、FTIR、Zeta电位等分析,推断出FAMZ和FAMMZ吸附NH+4-N主要是通过与钠离子之间的离子交换作用完成的。而FAMZ和FAMMZ吸附PO43-主要是通过与表面羟基之间的络合作用来完成的。此外,FAMMZ同步吸附NH+4-N&PO43-时,NH4+-N和PO43-与FAMMZ中的Mg2+发生共沉淀生成磷酸铵镁(Mg NH4PO4)附着在吸附剂表面。(6)再生实验表明,吸附NH+4-N和PO43-后的两种吸附剂用0.1 mol/L的Na OH作为解吸液,经过五次吸附-解吸循环后,FAMZ和FAMMZ对NH+4-N与PO43-的解吸率均可达到50%以上。此外,对实际水体中NH+4-N和PO43-的去除研究表明,FAMZ和FAMMZ吸附剂可使V类水质经过处理后达到II类水质以上标准。
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