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介孔复合吸附材料对微污染水源水中 有机污染物的吸附试验 何建敏 1,2 林 海 1 董颖博 1 1.北京科技大学环境工程系, 北京 100083; 2.重钢集团设计院动力室, 重庆 400082 摘要 研究介孔复合吸附材料对微污染水源水中有机污染物和总磷的去除效果。“ 静态吸附”试验结果表明, 介孔复合 吸附材料对微污染水源水的TOC 和总P 去除率分别为76. 7和 68. 9; TOC 饱和吸附量为5. 27 mg gL , 总P 饱和吸 附量为0. 486 mg gL ; “ 动态吸附”试验结果表明, 介孔复合吸附材料的最佳处理量为35 mL g, 最佳吸附流速为 5 mL min, 在此条件下对 TOC 和总 P 的去除效果分别为 68. 7和 20. 3。 综上所述, 介孔复合吸附材料的整体吸附效 果与活性炭相当, 具有一定的应用价值。 关键词 微污染水源水; 介孔复合吸附材料; 活性炭; TOC; 总磷 THE ADSORPTION EXPERIMENT OF MESOPOROUS COMPLEX ADSORPTION MATERIAL USED FOR DISLODGING SOME ORGANIC POLLUTANTS IN A SLIGHTLY -POLLUTED HEADWATER He Jianmin1 ,2 Lin Hai2 Dong Yingbo2 1. Department of Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Chongqing Iron and Steel Group Design Institute, Chongqing 400082, China Abstract A mesoporous complex adsorption material MCAM was used for dislodging some organic pollutants in a slightly -polluted headwater with the static and dynamic adsorption experiments. The results of the static adsorption experiment showed that MCAM s dislodgement rate of the TOC was 76. 7, and that of TP was 68. 9. The saturation adsorption quantity was as followsTOC 5. 27 mg gL; and TP 0. 486 mg gL .The results of the dynamic adsorption experiment showed that the best treatment capacity of MCAM was35 mL g; andthe velocity offlow was 5 mL min. Under thiscondition, the removal rates of TOC andTP were 68. 7 and 20. 3. To sum up, the adsorption effect ofMCAM was equivalent to that of activated-charcoal. Keywordsslightly -polluted headwater; mesoporous complex adsorption materials; activated-charcoal; TOC; TP 0 引言 针对目前饮用水源的污染现状 ,利用一种已制备 的介孔复合吸附材料进行微污染水源水的静态和动 态吸附净化试验研究 。一方面 ,研究其去除微污染水 源水中的微量大分子有机污染物的效果 ,即引起加氯 副产物的各种大分子前驱体, 以减少后续加氯工艺的 副产物 ; 另一方面, 研究该吸附材料对含磷污染物的 去除能力 。目的在于解决目前饮用水源水的两大主 要污染问题 有机物污染和富营养化问题。同时, 用 优质煤质颗粒活性炭作为对比参照吸附材料 ,进行同 步吸附试验 ,作吸附效果比较分析, 从试验效果分析 该吸附材料取代活性炭吸附材料的可行性。 1 试验方法 1. 1 方案 本试验采用单因素法进行“静态和动态吸附试 验” 。“静态吸附试验”优化的参数为 吸附剂用量 、 吸 附时间、 吸附温度、 吸附搅动频率,在此基础上测试吸 附材料的饱和吸附量。“动态吸附试验”优化的参数 为最佳处理量和流速 。 静态吸附试验方法为 先将吸附材料样品放入烘 箱中于50 ℃ 烘干0. 5 h, 然后称取不同重量的吸附材 料样品分别放入250 mL容量瓶中 ,各加100 mL吸附试 验水样 ,再将容量瓶放入控温空气浴振荡器中, 在一 定的温度、搅动频率下振荡反应一定时间 ,将出水置 26 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 于离心机中 , 在3 500 r min的条件下进行固液分离 15 min ,最后取上清液进行 TOC 和总 P 指标的测定。 动态吸附试验方法为 样品烘干方法同上, 然后 将20 g吸附材料样品放入内径为2 cm 、 高为22 cm的吸 附柱中 ,以下进水上出水的方式, 连续注入不同流速 的吸附试验水样 , 最后的出水每隔100 mL测定一次 TOC 和总P 指标 。 1. 2 试验用水 水样取自颐和园团城湖, 加腐叶 、泥土和花瓣等 浸泡48 h所得浸泡液并投加分析纯磷酸二氢钾固体 配制而成 ,P 的浓度为 0. 4～ 0. 8 mg L 。 配制好的原水 用玻璃容器盛放 ,并置于冰箱中冷藏保存 ,温度约为 4 ℃。 原水水质为 总有机碳 TOC 为28. 50 mg L ; 总磷 为3. 60 mg L 。 1. 3 吸附材料 介孔复合吸附材料选用沸石作为原料,通过酸洗 和混合添加剂高温焙烧进行破坏式造孔 ,然后采用两 亲长链有机表面活性剂进行有机改性制得 。活性炭 选用江苏产的净王牌椰壳活性炭 , 其比表面较大, 活 性质量及其他特性是活性炭中最好的。 2 试验结果与分析 2. 1 静态吸附条件优化试验 2. 1. 1 吸附剂用量 吸附剂用量直接影响吸附效果的好坏,在吸附时 间为1. 5 h ,吸附温度为30 ℃, 搅动频率为150 r min的 条件下 ,进行了吸附剂用量优化的条件试验 ,其结果 分别如图 1、 图 2 所示 。 图 1 吸附剂用量与TOC 去除率关系曲线 试验结果表明, 活性炭对该微污染水中 TOC 的 去除率随着吸附材料加入量的增加而逐渐增加,但加 入量加大到一定程度后去除率趋于平衡 ,可见活性炭 对该微污染水中的某些溶解性有机污染物去除能力 较低 。从兼顾去除率和成本的角度 ,选择活性炭用量 为0. 025 g mL 。 介孔复合吸附材料对该微污染水中 TOC 的去除变化趋势与活性炭相似, 但达到吸附平衡 的吸附剂用量为0. 030 g mL ,同时其 TOC 去除率略低 于活性炭。 从图 2 可以得出, 活性炭和介孔复合吸附材料对 该微污染水中总 P 的去除变化规律与 TOC 的去除变 化趋势相似 。两种吸附材料对该微污染水中的某些 含P 污染物去除能力较低,达到吸附平衡的用量分别 为0. 025 和0. 030 g mL。 图 2 吸附剂用量与总 P 去除率关系曲线 综合两种吸附材料对 TOC 及总磷的去除效果, 认为活性炭及介孔复合吸附材料的最佳用量分别为 0. 025和0. 030 g mL 。 2. 1. 2 吸附时间 吸附时间对吸附效果有较大影响 。在取两种吸 附材料分别为最佳用量、吸附温度为30 ℃、振荡强度 为150 r min的条件下 ,考察在不同吸附时间下对 TOC 和总 P 的去除效果 。试验结果分别见图 3和图 4。 图 3 吸附时间与TOC 去除率关系曲线 图 4 吸附时间与总 P 去除率关系曲线 27 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 从图 3 可以看出 ,活性炭和介孔复合吸附材料对 该微污染水中 TOC 的去除率都随着吸附时间的延长 先是逐渐增加而后又逐渐降低。活性炭的最佳吸附 时间为1. 5 h,介孔材料的最佳吸附时间为2. 5 h,介孔 材料对TOC 的去除率比活性炭低 4. 1。 从图 4 可以看出 ,活性炭对该微污染水中总P 的 去除率随着吸附时间的延长而逐渐增加 ,直至不变。 其最佳吸附时间为1. 5 h。 介孔复合吸附材料对总 P 的去除率也是逐渐增加直至不变, 但变化趋势较为平 缓,说明吸附时间对去除总 P 影响不显著 ,确定最佳 吸附时间为2. 5 h。 且介孔复合吸附材料对水样中总 P 的去除能力整体优于活性炭。 综合活性炭和介孔复合吸附材料对 TOC 和总磷 的去除效果,确定两种吸附材料的最佳吸附时间分别 为1. 5 和2. 5 h 。 2. 1. 3 搅动频率 搅动情况影响到吸附材料与水样中污染物质的 接触状况 ,如接触面积、 时间等 ,所以在两种吸附材料 各自最佳用量和吸附时间的条件下 ,研究了不同搅动 频率下的吸附试验 , 其中低速 ≤200 r min 时为振 荡,高速 200 r min 时为搅拌。其结果分别见图 5 和图 6。 图 5 搅动频率与TOC 去除率关系曲线 图 6 搅动频率与总 P 去除率关系曲线 由图 5 可见 , 活性炭对该微污染水中 TOC 的去 除率随着搅动频率的加快先是逐渐增加 ,但达到最大 值后又略有降低 ,而且振荡的效果要比搅拌的效果整 体略好 。其最佳吸附搅动频率为150 r min。 介孔复合 吸附材料对 TOC 的去除率与活性炭有类似的规律, 其最佳振荡频率为100 r min。 从图 6 可以看出, 活性炭及介孔复合吸附材料对 总P 的去除率与对 TOC 的去除率的变化规律类似, 其最佳搅动频率分别为 150,100 r min。 其整体去除效 果后者明显优于前者 。 综合两种吸附材料对 TOC 及总磷的去除效果, 最后确定最佳搅动频率分别为 150 和100 r min。 2. 1. 4 吸附温度 当温度不同时, 吸附试验水样中所含污染物质的 溶解度就会有所不同 ,而且吸附材料的活性也不同, 从而影响了吸附效果 。因此, 在其他因素优化的条件 下,对不同吸附温度时 TOC 和总 P 的去除效果进行 了试验。测试结果分别见图 7和图 8。 图 7 吸附温度与TOC 去除率关系曲线 图 8 吸附温度与总 P 去除率关系曲线 从图 7 可以看出, 活性炭对该微污染水中 TOC 的去除率受吸附温度影响不明显,其变化趋势是随温 度升高先略增加后略降低。这是由于该水样为微污 染水, 其中溶解性有机污染物本身浓度较低 ,温度过 高时有机污染物反而活性增强不易被吸附固定。整 体看来其活性、溶解度等物理化学性质受温度影响变 化不大。因而其最佳吸附温度为30 ℃。 介孔复合吸附材料对 TOC 的去除率变化规律与 28 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 活性炭相似,只是去除率整体效果要差一些。这是因 为一方面微污染水的成分和性质决定了该吸附试验 受温度影响的总趋势 ,另一方面由于该材料为一种介 孔复合吸附材料 ,复合成分主要是一种改性剂 ,其最 佳活性温度为40 ℃。 活性炭对该微污染水中总 P 的去除率受吸附温 度影响较为显著 ,其变化趋势为随温度升高而逐渐降 低。在低温时对含 P 物质的吸附去除效果较好。因 而活性炭的最佳吸附温度选择为20 ℃。 介孔复合吸附材料对总 P 去除率的变化趋势明 显不同于活性炭 ,先逐渐增加后又降低 。这是因为一 方面微污染水中含 P 污染物为极性物质,其溶解度随 温度的升高而升高, 直至达到饱和 ,温度再升高时 ,溶 解度反而降低; 另一方面该改性吸附材料对极性物质 的吸附效果较好 ,所以对总P 的去除率与含 P 物质的 溶解度密切相关 ,即溶解度大则吸附效果好。所以其 最佳吸附温度为30 ℃。 综合上述, 确定活性炭和介孔复合吸附材料的最 佳吸附温度分别为30 ℃ 和40 ℃。 2. 1. 5 静态吸附TOC 、 总 P 去除效果分析 通过在上述试验所确定的两种吸附材料的最佳 吸附工艺参数条件下 ,活性炭和介孔复合吸附材料对 TOC 的去除率分别为 80. 9和 76. 7, 对总 P 的去 除率分别为61. 9 和 68. 9。 活性炭及介孔复合吸附材料对 TOC 的饱和吸附 量分别为 4. 81 和5. 27 mg g L ; 对 P 的饱和吸附量 为0. 420 和0. 486 mg gL 。 综合两种吸附材料对 TOC 及总磷的去除效果, 可见介孔复合吸附材料的饱合吸附量比活性炭的略 大,总的吸附能力略强。 2. 2 动态吸附试验 TOC 、 P 去除效果分析 介孔复合吸附材料的最佳处理量为35 mL g , 最 佳吸附流速均为5 mL min, 测试结果 出水 TOC 为 8. 93 mg L , TOC 去 除 率 为 68. 7; 出 水 总 P 为 2. 87 mg L ,总 P 去除率 20. 3。 活性炭的最佳处理量为30 mL g , 最佳吸附流速 均为5 mL min ,测试结果 出水 TOC 为8. 42 mg L ,TOC 去除率为 70. 5; 出水总 P 为2. 93 mg L , 总 P 去除率 18. 6。 介孔复合吸附材料去除 TOC 的变化规律与活性 炭相类似, 但其整体效果稍逊于活性炭 , 且在流速较 小时就达到最佳效果。 说明介孔复合吸附材料对 TOC 的吸附速率要低于活性炭。 对于介孔复合吸附材料, 其对总 P 的去除率变化 趋势也与活性炭相似 ,只是其整体去除效果优于活性 炭。其对总磷的最佳动态吸附流速也为5 mL min。 结合两种吸附材料对 TOC 及总磷的去除效果, 对于该水质的微污染水, 得到这两种吸附材料的最佳 动态吸附流速均为5 mL min。 综上所述, 活性炭对 TOC 的去除效果比介孔复 合吸附材料好, 而对总P 的去除效果则是介孔复合吸 附材料更佳 。 3 结论 1 对于该微污染水水质 ,介孔复合材料的静态吸 附工艺参数最佳值为 吸附剂用量0. 030 g mL ; 吸附 时间2. 5 h; 吸附温度40 ℃; 吸附搅动频率100 r min; 饱和 吸附 量对 TOC 为 5. 27 mg gL , 对 总 P 为 0. 486 mg gL 。 最佳条件下对TOC 和总 P 去除率分 别为 76. 7 和 68. 9 。 动态 吸附 工艺参 数最 佳值 为 最佳 处 理量 35 mL g ; 吸附流速5 mL min。 在该条件下对 TOC 和总 P 去除率分别为 68. 7 和 20. 3。 2 介孔复合吸附材料对 TOC 和总 P 的整体去除 效果与活性炭相当, 另外 ,斜发沸石在我国贮量丰富, 廉价易得, 成本较低 。同时,作为吸附剂 ,该介孔复合 吸附材料的再生方法简单、成本较低, 因而长期使用 综合效益较好。 参考文献 [ 1] 齐文君, 孙宗光. 痕量有机污染物的检测[ M] . 北京 化学工业 出版社, 2001. 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