氯化钠/十二烷基磺酸钠-微波改性沸石除氨氮的研究

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在水资源短缺、水生态环境破坏的形势下,再生水回用越来越得到重视。然而,经城市污水厂处理后的出水,往往还存在部分难降解的氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)和有机物(COD)等污染物,易造成水体富营养化,为提高污废水的再生利用,需进一步去除上述污染物。吸附法因工艺简单、操作方便、吸附材料价格低廉、选择性强、可再生等优点在处理NH3-N废水上具有较大的优势。沸石特殊的硅(铝)酸盐三维格架结构,使其具有独特的吸附性能和离子交换性能。天然沸石对NH3-N的去除率较低,需对其进行改性,以提高沸石对NH3-N废水的处理效率。实验配制8mg/L的模拟NH3-N废水,选择0.5-1mm天然沸石作为实验材料,以氯化钠(NaCl)、乙酸钠(CH3COONa)、三水柠檬酸钠(Na3C6H5O7·3H2O)、十二烷基磺酸钠(SLS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为改性剂,采用化学单一、化学+微波(先化学改性烘干后再置于微波改性)、微波+化学(先微波改性后再进行化学改性)、化学-微波(沸石与化学改性剂一同置于微波改性)4种方法对天然沸石进行改性,以此来分析不同改性剂和改性方法改性沸石对NH3-N的吸附效果,选出最佳改性剂和改性方法,并研究制备改性沸石的最佳条件。通过扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)、傅氏转换红外线光谱分析(FTIR)、X射线衍射相分析(XRD)、X射线荧光光谱分析(XRF)和比表面积测试分析(BET)对改性前后沸石进行表征,分析沸石吸附NH3-N废水的机理。通过静态实验确定改性沸石的最佳吸附条件,并通过等温吸附模型和反应动力学模型进行数据拟合,来分析沸石的吸附机理。通过动态实验确定吸附的最佳实验条件,分析NH3-N出水浓度达到穿透点和饱和点的时间。采用微波再生、NaCl再生、Na OH再生、NaCl-微波再生和Na OH-微波再生5种方法对吸附饱和沸石进行再生,以此来分析不同再生方法对改性沸石的再生效果,选出最佳再生方法,并研究再生改性沸石的最佳再生条件。(1)采用5种改性剂和4种改性方法对天然沸石进行改性,对比改性沸石对NH3-N的吸附效果,表明化学-微波改性方法效果最好。其中,NaCl-微波改性沸石对NH3-N的去除率可达91.43%,吸附容量为0.18mg/g,表面活性剂中SLS-微波沸石对NH3-N的去除率可达74.29%,吸附容量为0.14mg/g,因此,确定NaCl和SLS为活化剂。为进一步提高吸附性能,采用钠盐与表面活性剂对天然沸石进行组合改性,来研究NaCl-微波改性沸石和NaCl/SLS-微波改性沸石在不同NaCl改性浓度下对NH3-N、TN的吸附效果。发现NaCl/SLS-微波改性沸石在保持较高NH3-N去除率的同时,TN含量也降低了10.52%,故选择NaCl/SLS-微波法为天然沸石的最佳改性方法。(2)通过单因素实验和正交实验研究NaCl/SLS-微波改性沸石最佳制备条件的影响因素可知,改性条件为NaCl溶液浓度0.5mol/L、SLS溶液浓度0.3mol/L、固液比1:7、微波辐照功率567W、微波辐照时间15min时最佳,NaCl/SLS-微波改性沸石对NH3-N去除率为86.60%,吸附容量为0.15mg/g。对改性前后沸石进行SEM-EDS、FTIR、XRD、XRF和BET表征分析可见,采用NaCl/SLS-微波法对天然沸石进行改性,沸石内Na元素含量增多,Ca元素含量减少,NaCl、SLS已成功负载在沸石上,改性沸石的离子交换作用增强,吸附点位增多,吸附能力增加;加之微波与改性剂结合,可减少改性剂的用量,加快改性速度,使沸石孔径产生变化。(3)通过单因素实验和正交实验发现最佳吸附条件为NH3-N初始浓度8mg/L、改性沸石投加量3g、p H为9、吸附反应时间为30min。NaCl/SLS-微波改性沸石吸附NH3-N过程更符合Freundlich等温吸附线模型,相关系数R2为0.9905,Freundlich模型计算出来的1/n(0.7284)<1,KF(0.0316)较大,说明改性沸石对NH3-N的吸附主要以多分子层吸附为主,其易于吸附、表面不均一性较强,吸附质和吸附剂之间的亲和力较好;NaCl/SLS-微波改性沸石吸附NH3-N更符合准二级反应动力学模型,相关系数R2为0.9992,准二级反应动力学模型计算出改性沸石对NH3-N废水的饱和吸附量qe与实验值之间的误差仅为2.29%,说明改性沸石在吸附NH3-N过程中,离子交换反应起到很大的作用,存在化学反应。(4)通过动态吸附实验研究,得出吸附条件为室温、NH3-N废水浓度8mg/L、p H为9、吸附柱高700mm、内径50mm,滤层厚度0.45m、NH3-N废水进水流速5m L/min时最佳,吸附穿透时间为300min,吸附饱和时间为600min。在实际工程中,可根据实际情况来选择合适的改性沸石厚度和NH3-N进水流速。(5)采用5种再生方法对吸附饱和沸石进行再生,其中,NaCl-微波法的再生效果较好。再生条件为NaCl溶液浓度0.5mol/L、沸石与NaCl溶液固液比1:20、微波再生功率700W、微波再生时间15min时最佳,NaCl-微波再生改性沸石对NH3-N的去除率为75.18%,沸石再生率为93.98%,经过7次再生后的改性沸石对NH3-N的去除率仍能达60.48%,说明NaCl-微波再生法是一种高效的沸石再生方法,可以实现沸石的循环利用。
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