打开文本图片集

摘  要：本研究通过综合应用静态和动态试验方法，深入探讨了固废基陶粒在处理含磷废水中的性能和机制。研究结果表明，固废基陶粒表现出卓越的吸附性能，其吸附量随着初始浓度和反应温度的升高而逐渐增加。吸附过程主要依赖于物理和化学机制，包括扩散、拦截和化学键力。吸附等温模型分析显示，Langmuir模型更适用于描述固废基陶粒对水中磷的吸附行为。此外，吸附动力学研究表明，准一级吸附动力学方程能够更准确地描述吸附过程，而准二级吸附动力学方程效果有限。吸附热力学分析揭示了吸附过程是一个自发过程，受温度影响较小，可能存在解吸现象。这些研究结果为固废基陶粒在处理含磷废水中的应用提供了关键信息，有助于环境保护和资源回收。

关键词：静态和动态试验；固废基陶粒；含磷废水处理

引言：

含磷废水的处理一直是环境保护领域的重要问题。为了有效去除水中的磷污染物，固废基陶粒作为一种新型吸附材料备受研究和关注。本研究旨在深入了解固废基陶粒的吸附性能和机制，通过静态和动态试验方法进行全面的研究，为环境保护和资源回收提供技术支持。

1.材料和方法

1.l材料、试剂与仪器

1.1.1试剂及仪器

在本实验中使用的仪器包括：

SHA-B型数显水浴恒温振荡器（金坛市城东新瑞仪器厂）

BT101LY/YZ1515型流量型蠕动泵（保定融柏恒流泵制造有限公司）

UV754N型紫外可见分光光度计（上海仪电分析仪器有限公司）

所使用的化学试剂均按照国家标准（GB11893-1989）的规定采购，具体包括：

KH2PO4      CaCO3

Na2SiO3

HCl

NaOH

这些试剂均为分析纯品，采购自国药集团化学试剂有限公司。实验所使用的水为蒸馏水。

1.1.2模拟含磷废水配制

为减少实际污水水质波动对实验结果的影响，采用模拟含磷废水进行实验。首先，取（0.2197±0.001）克的KH2PO4，在110°C下干燥2小时，然后溶解于蒸馏水中，并转移至1升容量瓶中。将其混匀后定容，从而制备出50 mg/L磷酸盐储备液。随后，通过稀释储备液，得到不同初始浓度的磷酸盐使用液，并使用NaOH或HCl来调节使用液的pH至7.0。

1.1.3固废基陶粒制备

为制备固废基陶粒，使用了脱水污泥、粉煤灰和河道底泥作为原料，并辅以CaCO3、Na2SiO3以及蒸馏水。经过一系列处理步骤，包括干燥、破碎、粉磨、筛分、配料、造球以及自然干燥，最终得到陶粒坯料。随后，这些陶粒坯料将经过预热和焙烧的处理，制备成固废基陶粒。具体的原料来源、质量配比、制备工艺流程、实验步骤，以及物理性能和重金属浸出浓度测试结果。最后，通过破碎和筛分处理，得到粒径为（2.0±0.5）毫米的固废基陶粒。这些陶粒随后会在15% HCl溶液中浸泡60分钟，并经过过滤、用蒸馏水洗净至中性，然后在干燥条件下储存备用[1]。

1.2磷标准曲线

钼酸铵分光光度法是一种用于测定水样中磷浓度的常用方法，其标准曲线通常用于确定待测水样中的磷含量。标准曲线是通过一系列不同磷浓度的标准溶液测定吸光度而绘制的。根据标准曲线可以很容易地计算待测水样中的磷浓度。通过将待测水样的吸光度值代入这个方程，可以得出相应的磷浓度 [2]。

1.3静态试验

容器和物质：

250 mL具塞锥形瓶

100 mL磷酸盐使用液

1.0 g固废基陶粒

恒温振荡器

操作步骤：

a. 将100 mL磷酸盐使用液加入250 mL的锥形瓶中。

b. 向瓶中加入1.0 g固废基陶粒。

c. 盖好瓶盖后，将瓶子放入恒温振荡器中。

d. 在20 ℃的温度下，以每分钟120次的振荡频率振荡瓶中的液体，振荡时间为6小时。

e. 振荡后，取上清液，使用0.45um滤膜进行过滤。

f. 在入=700 nm处测量滤液的吸光度。

g. 利用吸光度值来计算滤液中的磷浓度。

这个静态试验的目的是测定磷的浓度，采用了特定的化学和物理步骤来分析样品。这种方法可以在实验室环境中用于检测水或其他液体中的磷含量，这对于环境监测和水质控制非常重要。

1.4动态试验

实验装置及组成：

固定床反应装置

进水池

流量型蠕动泵

反应柱

填料层

可移动式固定床支架

出水池

反应柱参数：内径14.0 cm，柱高100.0 cm，有效容积4.4×10 cm³

实验步骤：

a. 在反应柱的顶部设置进/出料口。

b. 反应柱底部配备带孔隔板和进水口。

c. 在反应柱的中间填充固废基陶粒。

d. 在常压条件下，启动蠕动泵以连续进样，控制进水流速为15 mL/min。

e. 水样由下向上穿过固定床反应装置。

f. 开始计时，当出水口有水流出时，采取适当的时间间隔在出水口处取样进行分析。

这个动态试验使用自制的固定床反应装置，用于研究水样的流动和反应过程。装置由多个组件组成，包括进水池、流量型蠕动泵、反应柱以及相关的控制和取样设备。

1.5分析方法

吸附量计算：

2.结果与讨论

2.l固废基陶粒性能分析

在化学成分方面，固废基陶粒主要包含了多种元素，包括C、O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe和Cu等。同时，它的晶相主要由磁铁矿、石英、钠长石、钙长石、氧化铬钒、铝硅酸盐等化合物组成。

在物理性能方面，固废基陶粒的破碎率与磨碎率之和极低，仅为0.2%。其盐酸可溶率仅为0.02%，含泥量为0.2%，空隙率高达71.1%，而BET比表面积为0.73×10⁻² cm²/g。这些性能指标都符合我国行业标准（CJ/T 299-2008）的相关要求。

此外，固废基陶粒在浸出液中的金属离子含量也受到了研究，发现其中的Cr、Zn和Cu等金属离子含量明显低于我国国家标准（GB 5085.3-2007）的阈值。这意味着这种陶粒在处理废水中的金属离子去除方面表现出卓越性能 [3]。

2.2静态实验结果分析

2.2.1 吸附等温曲线

随着初始浓度和反应温度的增加，固废基陶粒对水中磷的吸附量（q值）呈递增趋势。举例来说，在293K的反应温度条件下，当初始浓度从2 mg/L增加到17 mg/L时，固废基陶粒对水中磷的q值从0.096 mg/g增加到1.013 mg/g，增加了0.917 mg/g。这个现象主要是由于随着初始浓度的增加，液相中的磷含量与固废基陶粒表面的浓度梯度差异也增大，从而促进了水中磷的吸附。

固废基陶粒实现对水中磷的去除主要依赖于其出色的性质，包括比表面积大、孔隙结构发达以及富含除磷活性成分，如Mg、Al、Ca、Fe等元素。在吸附过程中，首先通过扩散和拦截等物理作用，液相中的磷被吸附到固废基陶粒的表面。接着，在化学键力、静电吸附力以及范德华力等作用下，磷分子沉积在固废基陶粒的表面，完成了吸附过程。

2.2.2吸附动力学

在反应温度为293K的条件下，进行了固废基陶粒去除水中磷的吸附动力学研究。实验数据涵盖了不同初始浓度范围（2～17 mg/L），并使用准一级和准二级吸附动力学方程对这些数据进行了线性拟合，结果如图1所示。

从图1（a）可以观察到，R°值随着初始浓度的升高而逐渐降低，而K1值和qcal值却逐渐增加。与此相反，图1（b）中R值和qcal值均随着初始浓度的增加而逐渐增大，而K1值则逐渐下降。以初始浓度为2mg/L的情况为例，准一级吸附动力学方程拟合得到的qecal值与实验测试得到的qexp值仅相差0.021 mg/g，并且二者具有较强的线性相关性（R=0.987）。这表明准一级吸附动力学方程能够准确描述固废基陶粒对水中磷的吸附过程。

在相同条件下，通过准二级吸附动力学方程拟合得到的qcal值与实验测试得到的qeexp值之间存在较大差距，约为0.089 mg/L，且二者线性相关性较弱（R=0.913）。

2.2.3吸附热力学

在本实验研究范围内，固废基陶粒对水中磷的吸附被认为是一个自发过程，因为△G值为负（△G'<0），这表明吸附过程具有趋向性，自发发生。此外，随着反应温度的升高，△G的绝对值逐渐增大，这意味着在较高的温度下，吸附过程更容易进行，反应更有利于发生。

热力学的角度来看，这种吸附过程被认为是一个物理过程，因为△G值在-13.0 kJ/mol到-10.0 kJ/mol之间（-13.0 kJ/mol<△G< -10.0 kJ/mol）。此外，吸附过程被描述为吸热反应，因为△H值为正（△H>0），表示吸附过程吸收热量。

尽管△H值为正，但其数值始终明显小于5.0 kJ/mol，而且AG°值非常小。这表明反应温度的变化对固废基陶粒吸附水中磷的影响不太显著，即吸附过程的热力学特性在温度变化下不会发生显著变化。

3.结束语

通过本研究，详细研究了固废基陶粒在处理含磷废水中的性能和机制。研究结果表明，这种陶粒具有出色的吸附性能，能够高效去除水中的磷污染物。发现吸附过程主要依赖于物理和化学机制，包括扩散、拦截和化学键力。此外，还确定了Langmuir模型和准一级吸附动力学方程作为最佳描述吸附行为的模型。这些发现为固废基陶粒在废水处理领域的应用提供了有力的支持，有望在环境保护和资源回收方面发挥积极作用。希望这项研究能够为解决环境问题和实现可持续发展提供有益的参考和启示。

参考文献：

[1]李天鹏，王正庆，丁华栋等.固废基陶粒对含磷废水的处理研究[J].环境科学与技术，

2023，46（S2）：108-113.DOI：10.19672/j.cnki.1003-6504.1908.22.338.

[2]袁星博. 酸碱复合改性固废基陶粒的制备及其对Pb～（2+）吸附性能研究[D].内蒙古大学，2022.DOI：10.27224/d.cnki.gnmdu.2022.000119.

[3]黄永. 污泥生物碳基陶粒制备表征及除磷性能研究[D].华南理工大学，2020.DOI：10.27151/d.cnki.ghnlu.2020.005256.