(太原工業(yè)學(xué)院，山西太原，030008)

1 緒論

近年來，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，雖然帶來了較高的經(jīng)濟(jì)效益，但對(duì)環(huán)境的危害也日益嚴(yán)重，特別是對(duì)水資源的危害。水中氨氮的含量超標(biāo)直接引起了水體的富營養(yǎng)化，去除水中的氨氮也變得迫在眉睫。吸附法不僅可以高效地吸附水中的氨氮，也因其吸附材料的廉價(jià)而得到非常廣泛的應(yīng)用。工業(yè)廢渣粉煤灰的多孔松散的特殊結(jié)構(gòu)決定了它的比表面積較大、比表面能較高，具有較強(qiáng)的吸附能力，可以用于吸附去除水中的氨氮[1-3]。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 殼聚糖改性粉煤灰的制備

稱取20 g殼聚糖溶于800 mL濃度為5%的乙酸水溶液中，攪拌至殼聚糖完全溶解，加入一定量的粉煤灰，震蕩，離心，抽濾至中性，烘干，備用。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)單因素實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行[4-6]。取一定量的氨氮水樣于錐形瓶中，用NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值，加入一定量改性后的粉煤灰，搖勻，震蕩吸附一定時(shí)間，然后過濾，測定濾液中氨氮的含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 標(biāo)線的繪制

本實(shí)驗(yàn)采用納氏試劑分光光度法測定水中的氨氮濃度[7]，其標(biāo)線如圖1所示。

圖1 氨氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線

3.2 改性實(shí)驗(yàn)

3.2.1 殼聚糖改性濃度

殼聚糖濃度對(duì)改性效果的影響如圖2所示。

圖2 殼聚糖濃度對(duì)改性效果的影響

從圖2可以看出，殼聚糖溶液濃度不斷增加，而殼聚糖改性的粉煤灰會(huì)對(duì)氨氮廢水的去除率表現(xiàn)出先增長后緩緩下降的趨勢。剛開始?xì)ぞ厶菨舛仁? mg/L時(shí)，對(duì)于氨氮廢水的去除率是68.50%。隨后就不斷上升，然而當(dāng)殼聚糖濃度達(dá)到3 mg/L時(shí)，對(duì)氨氮廢水的去除率達(dá)到最高為95.71%時(shí)開始下降。當(dāng)殼聚糖濃度為10 mg/L時(shí)，吸附率的增加變得比較緩平緩，不再升高。而原因可能是隨著殼聚糖濃度的升高，殼聚糖改性粉煤灰達(dá)到飽和，即使殼聚糖的濃度再增加也不會(huì)提高去除率，反而起制約作用。因此，綜上所述，殼聚糖改性粉煤灰的最佳殼聚糖濃度為3 mg/L。

3.2.2 改性時(shí)間

改性時(shí)間對(duì)改性效果的影響如圖3所示。

圖3 改性時(shí)間對(duì)改性效果的影響

從圖3可以看出，隨著改性時(shí)間的不斷增加，殼聚糖粉煤灰對(duì)廢水中氨氮的去除率的曲線表現(xiàn)出先增長，然后緩慢下降的的趨勢。剛開始改性時(shí)間為30min，去除率為71.05%，當(dāng)改性時(shí)間為90min時(shí)，去除率達(dá)到最大，為90.24%。進(jìn)一步增加改性時(shí)間，可以很明顯地看出殼聚糖改性粉煤灰對(duì)廢水中氨氮的去除率反而有下降的趨勢。其原因是殼聚糖在乙酸溶液中是一個(gè)逐漸溶解的過程[8]，剛開始?xì)ぞ厶窃谝宜崛芤褐邢葘?duì)酸根離子進(jìn)行吸附，之后自身溶解，較短時(shí)間內(nèi)，殼聚糖沒有完全溶解，吸附率較低，由于殼聚糖溶解過程中同時(shí)伴隨著殼聚糖分子的降解，若時(shí)間過長，殼聚糖分子會(huì)降解得更厲害。所以在改性時(shí)間為90min時(shí)，氨氮的去除率最好為90.24%，所以，殼聚糖改性的最佳時(shí)間為90min。

3.2.3 改性溫度

改性溫度對(duì)改性效果的影響如圖4所示。

圖4 改性溫度對(duì)改性效果的影響

從圖4可以看出，隨著改性溫度的增加，可以知道殼聚糖改性粉煤灰對(duì)廢水中氨氮的去除率是先升后降的，當(dāng)改性的溫度為30℃時(shí)，殼聚糖改性達(dá)到71.50%。一直上升到35℃時(shí)，制備的殼聚糖改性粉煤灰對(duì)廢水去除率達(dá)到最大值76.63%，達(dá)到飽和。隨著改性溫度不斷提高，以后隨著改性溫度的增加，殼聚糖改性粉煤灰對(duì)廢水中氨氮的去除率有逐漸下降的趨勢，改性溫度為55 ℃時(shí)，殼聚糖改性粉煤灰對(duì)廢水中氨氮的去除率下降到59.97%。而原因可能是殼聚糖在乙酸溶液中是慢慢溶解的過程，溫度低于35 ℃時(shí)，溶解不完全使得去除率不高，溫度高于35 ℃時(shí)，溫度過高，導(dǎo)致殼聚糖降解了一部分從而起不到改善粉煤灰吸附性能的作用。因此，最佳改性溫度為35℃[9]。

3.3 吸附實(shí)驗(yàn)

3.3.1 改性粉煤灰投加量

殼聚糖改性粉煤灰投加量對(duì)吸附效果的影響如圖5所示。

從圖5可以看出，由于殼聚糖改性粉煤灰的投加量的不斷增加，氨氮的去除率變化呈現(xiàn)出的趨勢是先增加然后減少再趨于平緩。當(dāng)改性粉煤灰投加量由1g增加到2g時(shí)，氨氮的去除率增加了34%。原因可能是當(dāng)氨氮廢水濃度一定時(shí)，隨著吸附劑用量的增加，溶液中用來吸附氨氮的活性點(diǎn)位開始增加，從而改性粉煤灰對(duì)氨氮廢水的去除率上升，隨著時(shí)間的變化吸附劑用量達(dá)到一定數(shù)值，就不再吸附，活性點(diǎn)位開始下降，去除率開始下降，由圖5可見粉煤灰的最佳投加量為2g，此時(shí)去除率為89.21%。

圖5 殼聚糖改性粉煤灰投加量對(duì)吸附效果的影響

3.3.2 吸附時(shí)間

吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響如圖6所示。

圖6 吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

從圖6可以看出，氨氮的去除率隨著吸附時(shí)間的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)吸附時(shí)間為30min時(shí)，去除率為74.32%，當(dāng)吸附時(shí)間增加到90min時(shí)去除率為94.70%，達(dá)到最大。從90 min到180min，由于殼聚糖達(dá)到飽和，對(duì)氨氮的去除率就會(huì)從高變低。在吸附時(shí)間為180min時(shí)，殼聚糖改性粉煤灰對(duì)氨氮的去除率達(dá)到最小值為74%。這可能是因?yàn)?，?duì)改性后粉煤灰的氨氮去除基本完成。所以，改性粉煤灰的最佳吸附時(shí)間是90 min，去除率最高[10]。

3.3.3 吸附溫度

吸附溫度對(duì)吸附效果的影響如圖7所示。

圖7 吸附溫度對(duì)吸附效果的影響

從圖7可以看出，隨著吸附溫度的不斷增加，氨氮的去除率變化呈現(xiàn)出的趨勢是先上升后下降。從理論上來說殼聚糖在乙酸溶液中是慢慢溶解的過程，溫度過低時(shí)，殼聚糖溶解不完全，殼聚糖溶解過程中同時(shí)也伴隨著殼聚糖的降解，當(dāng)溫度過高時(shí)，會(huì)使得殼聚糖分子加速降解，從而起不到改善粉煤灰吸附性能的作用[11]。在吸附溫度為30℃時(shí)，殼聚糖改性粉煤灰的去除率為85.23%，當(dāng)吸附溫度從30℃增加到40℃時(shí)，殼聚糖改性粉煤灰的去除率呈上升趨勢，且在40℃時(shí)，殼聚糖改性粉煤灰的去除率為92.17%，達(dá)到最大值，隨后一直下降，在55℃時(shí)，殼聚糖改性粉煤灰對(duì)氨氮的去除率達(dá)到最小值69.32%。所以，最佳吸附溫度為40℃。

3.3.4 吸附pH值

吸附pH值對(duì)吸附效果的影響如圖8所示。

圖8 吸附pH值對(duì)吸附效果的影響

從圖8可以看出，氨氮的去除率隨著溶液pH值的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。溶液pH值由3增加到7時(shí)，氨氮的去除率增加了30%，并且在pH值為7時(shí)達(dá)到最大值96.72%。此后，隨著溶液pH值增加氨氮去除率開始下降。原因可能是殼聚糖改性粉煤灰在酸性或者堿性條件下氫離子或氫氧根離子，與氨氮存在吸附競爭關(guān)系。所以殼聚糖改性粉煤灰pH值為7時(shí)，吸附效果達(dá)到最好。

4 結(jié)論

本研究通過大量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)氨氮廢水的標(biāo)線和各個(gè)單因素對(duì)改性粉煤灰吸附氨氮廢水的影響進(jìn)行研究。得到如下幾條結(jié)論：

(1)殼聚糖改性粉煤灰時(shí)最佳的改性條件為：殼聚糖溶液的濃度3 mg/L、改性時(shí)間為90min、改性溫度為35 ℃時(shí)，此時(shí)氨氮去除率為95.71%。

(2)殼聚糖改性粉煤灰吸附水中氨氮的最佳條件為：改性粉煤灰投加量為2g，最佳吸附時(shí)間為90min，最佳吸附溫度為40℃，最佳的pH值為7，此時(shí)氨氮的去除率達(dá)到最大值96.72%。