孫玉煥，李莎莎，趙嬌嬌（青島科技大學，山東 青島 266042）

羥基鋁柱撐膨潤土的制備及其對實際氨氮廢水的處理效果

孫玉煥，李莎莎，趙嬌嬌
（青島科技大學，山東 青島 266042）

【摘 要】利用鋁離子水解聚合的性質，以鈉基膨潤土為原料，采用水熱法制備了系列羥基鋁柱撐膨潤土，研究OH/Al摩爾比、柱化反應溫度、是否水洗和煅燒對吸附性能的影響，并將其應用于實際氨氮廢水的處理。研究結果表明，當OH/Al摩爾比為2.0、柱化反應溫度為80℃、水洗和煅燒條件下，制得的柱撐膨潤土吸附性能最好。該膨潤土在反應溫度40℃、投加量120g/L、pH值8～9、吸附時間2h條件下，對供試廢水中氨氮的去除率最高，可達61.9%。

【關鍵詞】膨潤土；羥基鋁柱撐；氨氮廢水；處理效果

1　引言

我國膨潤土資源儲量豐富，價格低廉，在水處理中有著廣泛的應用，但其不易與水分離。羥基鋁柱撐膨潤土具有大的孔徑和比表面積、較好的沉降性和表面活性，已成為廣泛應用于污水處理中的一種新型環(huán)保材料[1-4]。羥基鋁柱撐膨潤土制備成功與否的關鍵在于柱化劑的制備，影響其制備的因素很多，如羥基與金屬離子的摩爾比、反應溫度、水解程度等[5]。在柱化劑與膨潤土混合過程中溫度和攪拌速度及柱撐后是否水洗、煅燒等因素都會對柱撐膨潤土的吸附效果產生影響[6-7]。

前期研究結果表明，膨潤土經鋁柱撐改性后有很強的吸附性能，其對模擬廢水氨氮的去除率可達96.6%[8]。由于模擬氨氮廢水成分比較單一，而實際氨氮廢水成分復雜，廢水中的其他污染物可能會與氨氮發(fā)生競爭作用，其試驗結果不能代表羥基鋁柱撐膨潤土對實際氨氮廢水中的處理效果[6,9]。因此，羥基鋁柱撐膨潤土在實際氨氮廢水處理中是否經濟可行，有待于進一步研究探討。

本文通過研究OH/Al摩爾比、柱化反應溫度、柱撐膨潤土是否水洗以及煅燒這4個因素對羥基鋁柱撐膨潤土吸附效果的影響，找到最佳制備條件。通過研究羥基鋁柱撐膨潤土對某醫(yī)藥公司工藝處理后廢水中氨氮的吸附處理效果，建立最佳處理條件，探討羥基鋁柱撐膨潤土在實際廢水處理中的可行性，以期為其實際應用提供科學數據。

2　試驗材料與方法

2.1 試劑與儀器

試驗所用膨潤土為鈉基膨潤土。試驗所用試劑均為分析純。主要儀器包括：TU1901型紫外可見分光光度計；GZX-9246MBE型數顯鼓風干燥箱；SX2型馬弗爐；YP202N型電子天平；78-1型磁力加熱攪拌器；LD-3型臺式電動離心機；HHS-21-8型恒溫水浴鍋。

2.2 試驗方法

2.2.1 供試廢水

供試廢水取自某醫(yī)藥公司工藝處理后廢水，廢水pH值為10.15，氨氮含量為315mg/L。

2.2.2 柱化劑和柱撐膨潤土的制備

分別配置一系列不同濃度的AlCl3溶液和0.83 mol/L的Na2CO3溶液，水浴加熱至反應溫度，在攪拌條件下，將Na2CO3溶液以1mL/min的速度滴加入到AlCl3溶液中，滴加完畢繼續(xù)攪拌2h。在60℃恒溫水浴中老化48h，制得不同OH/Al摩爾比的柱撐劑。羥基鋁柱撐膨潤土的制備過程見文獻[8]，制得的柱撐膨潤土部分烘干后直接使用，部分水洗后再烘干，用于煅燒處理的柱撐膨潤土均經過水洗處理。

2.3 廢水處理試驗

向100mL錐形瓶加入25mL氨氮廢水和上述制備的一定量的羥基鋁柱撐膨潤土，改變投加量、吸附時間、溫度和pH值等參數進行試驗。處理后的溶液經離心過濾后，取適量于比色管中，用靛酚藍比色法測定氨氮含量，并計算廢水中氨氮的去除率。

2.4 數據處理

本試驗所得數據采用SPSS19.0進行統(tǒng)計分析，使用Origin 8.0進行繪圖。

3　結果與分析

3.1 柱撐因素對吸附效果的影響

3.1.1 OH/Al摩爾比、柱化反應溫度、是否水洗對吸附效果的影響

試驗過程中控制OH/Al摩爾比為0.8、1.2、1.6、2.0，柱化反應溫度為25、40、60、80℃，研究羥基鋁柱撐過程中OH/Al摩爾比、柱化反應溫度、柱撐膨潤土是否水洗這三個因素對柱撐膨潤土吸附水中氨氮效果的影響。試驗結果表明，當OH/Al摩爾比為2.0、柱化反應溫度為80℃、水洗的條件下，制得的柱撐膨潤土吸附性能最好。對試驗數據進行多因素方差分析，分析結果如下表所示。結果表明，水洗對氨氮去除率的影響均是顯著的，其原因：①由于柱撐膨潤土在制備時需要水解的聚金屬陽離子將粘土層間的水解陽離子交換出，而水洗可去除大量水解陽離子，使置換過程更容易進行；②在柱撐過程中存在大量陰離子Cl-和很多未知的干擾因素，極大地阻礙了柱撐膨潤土對氨氮的吸附效果，而經蒸餾水三遍離心水洗后，可極大限度的去除這些干擾因子，大大提高氨氮的去除率；③洗滌過程不僅能使Al2O3柱子在粘土層間分布較為均勻，而且經洗滌后粘土的層間距會增大。

主體間效應的檢驗

3.1.2 煅燒對柱撐膨潤土吸附效果的影響

將膨潤土和羥基鋁柱撐膨潤土在500℃煅燒2h，分析比較原土、直接煅燒膨潤土、未煅燒柱撐膨潤土和煅燒柱撐膨潤土對氨氮的吸附效果，結果表明，煅燒對氨氮去除率有顯著的影響(見圖1)。煅燒后膨潤

土對廢水中氨氮的去除率均增加，原土從37.2%增加到68.5%，羥基鋁柱撐膨潤土從74.3%增加到86.9%。煅燒能夠提高氨氮的去除率，是因為經過煅燒后，膨潤土內的水分子丟失，孔洞增多，比表面積增大。羥基鋁柱撐膨潤土煅燒后層間會形成穩(wěn)定的Al2O3柱，層間距增大，吸附性能提高。

3.2 煅燒羥基鋁柱撐膨潤土對廢水中氨氮去除率的影響

圖1　煅燒對氨氮去除率的影響

3.2.1 投加量

取25mL廢水于150mL錐形瓶中，分別加入0.5、1、2、3、4、5g煅燒羥基鋁柱撐膨潤土，在25℃條件下，振蕩吸附1h，研究投加量對氨氮去除率的影響，結果見圖2。

由圖2可知，隨著煅燒羥基鋁柱撐膨潤土投加量的增加，氨氮去除率先增加后趨于平衡，這是因為初始階段氨氮濃度較高，吸附速度很快，但由于煅燒羥基鋁柱撐膨潤土的量不足，溶液中氨氮的去除率較低。當煅燒羥基鋁柱撐膨潤土的投加量逐漸增大時，去除率也在不斷增大，增加到一定量時，去除率不再增加，這是因為煅燒羥基鋁柱撐膨潤土的吸附容量是一定的，其對氨氮的吸附達到了平衡。當煅燒羥基鋁柱撐膨潤土的投加量為3.0g/25mL(即120g/L)時，吸附達到了平衡，投加量繼續(xù)增大雖會使去除率有所提高，但會降低沉降性且運行成本提高。

圖2　投加量對氨氮去除率的影響

3.2.2 溫度

向25mL廢水中加入3.0g煅燒羥基鋁柱撐膨潤土，分別于15、25、40℃下振蕩吸附1h，研究溫度對氨氮去除效果的影響，試驗結果如圖3所示。

圖3　溫度對氨氮去除效果的影響

由圖3可知，氨氮的去除率隨著溫度的升高而升高，溫度為40℃時氨氮去除率可達61.9%，對廢水的處理效果最好。這是因為氨氮的吸附是一個吸熱過程，溫度升高有利于吸附作用的進行，而且溫度升高時，液體分子的運動速度加劇，液體和固體吸附劑的有效碰撞機會增多，液體中的氨氮吸附在煅燒羥基鋁柱撐膨潤土上的機會就會越大。

3.2.3 溶液pH值

取25mL供試廢水于錐形瓶中，分別調節(jié)廢水的pH值為6、7、8、9、10，加入3.0g煅燒羥基鋁柱撐膨潤土，在40℃吸附振蕩2h，溶液pH值對氨氮去除率的影響如圖4所示。

圖4　pH值對氨氮去除率的影響

由圖4可知，氨氮去除率隨著pH值的增大呈現先增大后減小的趨勢，在酸性條件下氨氮去除率較低，隨著pH值增加氨氮去除率不斷增加，當pH值＝9時，氨氮去除率達到最大，可達64.5%；當pH值=8時氨氮廢水的去除率達到63.1%，兩者僅相差1.4%。因此在實際應用中選擇pH值在8～9之間。

3.2.4 吸附時間

向25mL氨氮廢水中加入3.0g煅燒羥基鋁柱撐膨潤土，改變吸附時間，在40℃下進行吸附反應，研究吸附時間對供試廢水中氨氮去除率的影響，結果見圖5。

圖5　吸附時間對氨氮去除率的影響

由圖5可知，氨氮去除率隨著時間的增加先增加后趨于平衡，在反應初始階段氨氮去除率迅速提高，當反應時間達到2h時吸附基本達到平衡，此時氨氮去除率可達61.9%。當反應時間延長至4h后，去除率會有所減小，這是因為煅燒羥基鋁柱撐膨潤土吸附氨氮的過程是一個動態(tài)平衡，開始時主要以吸附作用為主，隨著反應的繼續(xù)，煅燒羥基鋁柱撐膨潤土上吸附的氨氮會逐漸發(fā)生解吸，使去除率降低，

因此選擇吸附時間2h作為煅燒羥基鋁柱撐膨潤土吸附供試廢水的最佳吸附時間，這樣既能節(jié)省成本還可達到較高的去除率。

4　結論

(1) 在一定試驗條件下，OH/Al摩爾比、柱化反應溫度、水洗對羥基鋁柱撐膨潤土吸附去除水中氨氮均有顯著性影響。研究結果表明，當OH/Al摩爾比為2.0、柱化反應溫度為80℃、水洗的條件下，制得的柱撐膨潤土吸附性能最好。煅燒可以顯著提高膨潤土的吸附性能，將羥基鋁柱撐膨潤土在500℃下煅燒2h，膨潤土對氨氮的去除率可提高12.6%。

(2) 供試實際廢水中氨氮的去除率受煅燒羥基鋁柱撐膨潤土投加量、吸附溫度、廢水pH值和吸附時間的影響。研究結果表明，煅燒羥基鋁柱撐膨潤土吸附處理該供試廢水的最佳處理條件為：反應溫度40℃、投加量120g/L、pH值8～9、吸附時間2h，氨氮的去除率可達61.9%。

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【試驗研究】

【試驗研究】

Preparation of Pillared Bentonite and Its Treatment Effect on Ammonia Nitrogen Wastewater

SUN Yu-huan, LI Sha-sha, ZHAO Jiao-jiao
(Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China)

Abstract:With the hydrolysis and polymerization nature of aluminum ion, a series of aluminum pillared bentonite were synthesized by hydro-thermal ino-exchage methods with sodium bentonite as raw material. The effect of OH/Al ratio, pillaring reaction temperature, whether be washed and calcined on adsorption properties and its treatment effect on ammonia nitrogen wastewater were studied. The results showed that the adsorption properties was best with the OH/Al molar ratio of 2.0, pillaring reaction temperature of 80℃, washed and calcined. The ammonia nitrogen removal efficiency reached the maximum when the adsorption temperature 40℃, the dosage being 120g/L, the pH=9 and the adsorption time 2 hours, the removal ratio can reach 61.9%.

Key words:bentonite; hydroxy aluminum pillared; ammonia nitrogen wastewater; treatment effect

【收稿日期】2014-07-30

【文章編號】1007-9386(2015)01-0016-03

【文獻標識碼】A

【中圖分類號】X703；P619.255