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1、涂铁砂滤料吸附过滤去除水中的磷摘 要：为制备有效除磷的改性研究涂铁石英砂滤料在间歇实验中从水溶液中除磷比较IOCS1与IOCS2的吸附能力。对其进行了扫描电镜(SEM)和X 射线衍射(XRD)分析。目的是为了研究涂层的表面特性。能量分散X射线（EDAX）也被用于分析IOCS对磷的吸收特征分析。研究初始pH值的影响，接触时间和投加剂量的大小对上除磷效果的影响。结果表明除磷的效果IOCS-1大于IOCS-2，因此，以后的实验使用IOCS-1进行分析。，Langmuir、Freundlich 和Temkin 吸附等温线均可较好描述在不同温度下IOCS-1对溶液中磷的吸附，吸附遵循二阶反应动力学模型。
2、此外，在碱性环境中,IOCS-1吸附磷可以再生。这项研究的结果提供一个有效的吸附技术的基础上,可以使用IOCS过滤介质去除水中磷酸盐.关键词：涂铁石英砂；吸附；过滤；除磷；再生一 引言磷通常以低温度存在于废水中对于藻类滤料，与其他微生物的生长通常是限定性营养物。过量存在会引起水的富营养化。原因之一，减少饮用水中磷的含量，可以保证饮用水的生物稳定性，因而除磷是水处理工艺的重要目标之一现在已经有一些方法可以除磷，常见的除磷方法有化学沉淀法(如铝盐、铁盐和钙盐等)、生物法和吸附法。在这些方法中，吸附会较高效，经济和污泥产量低。特别是，它能极好的去除低浓度磷等。因此，以经济与环境关注为基础，吸附法去除
3、水中污染物的研究引起了国内外的广泛关注，所研究的吸附剂主要有赤泥1-2、粉煤灰3-4、磷灰石5、沸石6及其他废物材料7-8等最近的研究表明. 金属(铁、锰、铝等)的氧化物具有很高的表面积与表面负荷，可用来去除水中的重金属9-10与有机物。然而，大多金属氧化物在水溶液中以氢氧化物絮体或胶体产生呈粉末状。因此，由于固液分离局限性，他们是有限的，且需要大的反应器配置在沉淀池或过滤单元作为反应器的配置。此外，由于其低的导电性，单独的金属氧化物是不适合单独作为过滤介质 11。最近，为了克服上述的问题,在污水处理过程中，一些研究人员已经开发技术用于涂覆到砂表面上的金属氧化物，石英砂已经过测试，石英砂等滤料
4、9,11表面负载金属氧化物后，对水中的阴离子( 4PO3- 12-13、34AsO - 14)和阳离子(Cu2、Pb2、Mn2)15-17在这个条件下，铁氧化物被涂或制备而且在不同的铁氧化物中有不同的吸附能力。在这些研究中，它指出涂铁石英砂表面铁氧化物的类型取决于物理化学环境（pH值，温度，湿度等），不同的石英砂对磷有不同的吸附能力。在本研究中，由不同的涂层工艺制出2种涂铁石英砂（IOCS），经过多次实验比较选出去除磷效果好的石英砂。二 材料与方法 A. IOCS滤料的制备天然石英砂（QS），颗粒尺寸为从0.8到0.9毫米，被用来作为支撑材料氧化铁。首先，沙子用自来水预先洗涤几次，洗涤干净后在
5、110烘箱干燥，然后用0.1mol/L 稀盐酸溶液浸泡24,h 后，再用蒸馏水冲洗干净，于烘箱中烘干后用于改性。 制备具有以下涂层类型的IOCS流程。IOCS-1：将浓度2.5,mol/LFeCl36H2O 溶液400,mL与1,mL,10,mol/L NaOH 溶液混合，将混合溶液与上述800,mL 石英砂混合，并搅拌均匀后，置于干燥箱中于110,烘96,h 以上，间歇搅拌至干；然后在200,下烘干，冷却后用水冲洗干净后，在110,下烘干。以上工序完成之后，再根据相同的步骤制作更多的IOCS-1，存储在聚苯乙烯瓶以供进一步使用。这种类型的石英砂以IOCS-1命名。IOCS-2：将浓度2.5,
6、mol/LFeCl36H2O 溶液400,mL与1,mL,10,mol/L NaOH 溶液混合，将混合溶液与上述800,mL 石英砂混合，并搅拌均匀后，置于干燥箱中于110,烘96,h 以上，间歇搅拌至干；然后在550,下烘干，冷却后用水冲洗干净后，在110,下烘干。以上工序完成之后，再根据相同的步骤制作更多的IOCS-2，存储在聚苯乙烯瓶以供进一步使用。这种类型的石英砂以IOCS-2命名。 (a) QS (b) IOCS-1 (c) IOCS-2 Fig.1 SEM photographs of the interface for QS and IOCS(2000magnification)
7、 B.化学品及分析水溶液中含有磷酸根离子,在制备各种浓度的磷酸溶液,是将磷酸二氢钾磷晶体粉末溶解在水中。溶液的初始pH值的调整通过添加硝酸（HNO 3）或氢氧化钠。磷酸二氢钾GR档次。HNO3, NaOH, FeCl36H2O所有都是AR级。所有的方案都使用去离子水。磷酸盐初始和最终pH值的测都使用pH计进行（微处理器）。磷酸的浓度是使用紫外 - 可见分光光度计确定的.C.批量研究批量研究包括：pH值和IOCS剂量的效果，吸附动力学，吸附等温线和阴离子的竞争效果。所有实验均在一个恒定的离子强度（0.01M的硝酸钠溶液）下,在100毫升锥形瓶中进行，pH值调节到所需的水平，用0.1MNaOH或0
8、.1 M HNO3方案。向锥形瓶中注入溶液50毫升。把锥形瓶放到水浴振荡器中,然后以恒定的的速度（每分钟120转的摇动）摇动一段时间。对于解吸的研究，4克IOCS-1的是来自于动力学实验后，最初的3毫克/升的磷酸根离子是由IOCS-1被吸附。吸附后，将样品通过过滤收集，用蒸馏水洗涤三次以除去残留在表面上磷酸根离子。然后，他们在110度下干燥，并转移到150毫升锥形瓶,分别用0.1M的NaOH和0.5 M的NaOH溶液解吸.计算解吸效率以下公式：解吸效率 =（解吸/吸附）100（1）III. 结果与讨论A.表征IOCS涂层过程中氧化铁铁涂抹到QS表面。用盐酸消化吸收和原子分光光度法分析，OCS-
9、1和IOCS-2的表面上的铁量分别为31.13和24.59 mg-Fe/g-sand的，分别QS和IOCS表面的照片，图1中所示（a）-（c）采取了2000倍的SEM观察他们的外表面形态。由于铁氧化物在石英砂表面的黏附，改性砂滤料表面的物理化学性质会发生变化，石英砂及改性砂的扫描电镜照片表明，石英砂表面光滑均匀没有棱角，表面具有一定的沟槽与凹坑，容易让金属氧化物附着而铁改性砂表面明显粗糙，孔隙更多，比表面积大，且附有大量的晶体，与IOCS-2相比, IOCS-1面明显粗糙，孔隙更多.IOCS的矿物学特征。通过X射线分析.峰点为IOCS-1和IOCS-2表面主要含的是赤铁矿，针铁矿和磁铁矿的混合
10、物.B.批量实验 1）初始pH值的影响溶液pH 值是影响固液界面4PO3-吸附的重要因素不同初始pH 值(2.49.5)对铁改性砂吸附磷的影响见图2可见，随着pH值的增加，铁改性砂对4PO3-的吸附量呈降低趋势，对于OCS-1，其吸附能力随增加，pH值从2.6到9.5，因此，去除磷效率从84下降至62。但对于IOCS-2，其吸附能力有不同的趋势。去除磷效率先增大后减小。的最高点的去除效率为20，pH值约为4.4且降低较平缓已有研究表明，pH 值约为410 时，赤铁矿、-Al2O3和铝土矿等对4PO3-吸附随着pH 值的增加逐渐降低宽的pH 值范围内，铁改性砂对4PO3-保持较高的去除率，受原水
11、pH值的影响较小，有利于在实际工程中应用于实际应用时水和废水的pH 值一般在中性附近，因而后续研究在pH 值为6.80.1 时进行还可以看出去除磷效率 IOCS-1（平均去除率：73）远远大于IOCS-2（平均去除率：13）。此外，真正的水和废水的pH值一般为中性，因此，再进行更多的实验，测出IOCS-1，pH为6.8。2IOCS-1剂量的影响IOCS-1剂量对磷去除的影响图3可以看出，在图3中。随OCS-1的量增加去除效率也增加，直到剂量达1克，磷的去除效率92。增加的效率可以被解释为IOCS-1剂量的增加相当于增加表面积或结合位点的吸附。另一方面，单位面积的吸附剂的吸附容量与吸附剂量表明，
12、低单位吸附能力比较高剂量和高剂量减少。如图3所示，最佳的吸附剂用量，去除磷的效率为 1 G/50毫升。 3）接触时间和吸附动力学的影响接触时间对铁改性砂吸附4PO3- 的影响见图3PO3-初始浓度为5.1mg/L，pH为6.8，铁改性砂对PO3-的去除率随着接触时间的增加而逐渐增加，铁改性砂对4PO3-的吸附在约200,min 时达到平衡，约120分钟后，磷的最大去除率94以上，随着时间增加，吸附趋势似乎保持不变。用第一阶和二阶动力学模型伪一级速率的线性形式21对吸附数据进行分析。方程给定为其中qe和qt分别是磷酸根离子达到吸附平衡浓度（毫克/克）和所需的时间t（分钟），k1（1/min）一阶
13、吸附的吸附速率常数其中K2是二阶速率常数吸附率（毫克分）。对于边界条件（T= 0，T =t和QT=0 QT = QT），二阶动力学模型何和McKay22,23： 对于不同浓度的磷酸根离子 ，结果表明，pseudosecond动力学模型有一个更好的相对系数法（R2=0.9999，T/ QT=32.12274.0667吨）的吸附PO43 - IOCS1。因此，建议用二阶反应动力学模型反应ICOS1吸收磷酸根离子。根据曲线计算斜率和截距如下：QE =0.2459mg/克，K2=0.5148克/（毫克分 4）吸附吸附等温线的分析是非常重要的。因此，对实验数据进行分析是众所周知的两个参数Freundli
14、ch和Temkin。IOCS-1对磷酸根离子的吸附等温线如图5所示。这些等温线代表的吸附行为在不同温度下达到平衡所需的磷酸根浓度，接触时间为24 h,吸附关系的呈现可以用表示, Langmuir方程式为经对Langmuir 方程式数学变换后，分别得到线性关系式其中C是磷酸根离子在平衡状态下的浓度（毫克/升）中，q是在平衡状态下的吸附量（毫克/克），qm为最大吸附量（毫克/克）和b为Langmuir吸附常数（L/毫克）。 1/ Q与1/ C呈直线关系，QM和b的值，可以根据截距和斜率计算出，相关关系列于表1， Langumuir方程给出了一个还算不错的适合的吸附等温线。使用Langmuir模型，
15、能谱分析提供OCS-1和IOCS-2吸附磷酸根离子在最大吸附量25度下可估计为：0.2668mg/ g和0.0234mg/克，这一结果表明，IOCS-1具有较高的亲和力比IOCS2。Freundlich方程是经过模型多次推导出,关系式为Freundlich 方程式数学变换后，分别得到线性关系式C为平衡浓度（毫克/升），k和n是分别是吸附量（毫克/克）和常数。根据方程 （8）lnq 和 lnC的关系呈现出直线关系，k和n的值是这条直线的截距和斜率。1n10说明铁改性砂对磷酸根离子的吸附属于有利吸附13。其中q为PO4Temkin 方程式为式中：q 为吸附平衡时的磷酸根离子的吸附量，单位为mg/g
16、； C 为吸附平衡时溶液中磷酸根离子的浓度，单位为mg/L、A和B 均为常数，q与lnc呈现直线关系。可以计算出A和B的数值。从表1中可以看出， IOCS-1吸附磷酸根离子与三个模型很好地拟合. 5）检查固体样品吸附后的磷酸根离子 如果IOCS是固体样品，通过吸附反应就会改变元素构成，也可以推断，氧化铁已经带来化学吸附。IOCS-1通过EDAX谱绘出图6。只有，C, Si , O, Cl, S 和Fe在图6（a）中标记处。Fe的标记表示铁成为IOCS-1的一个主要元要素。 EDAX谱描绘出IOCS-1吸附磷酸根离子如图6（b）中示出。结果表明磷成为主要元素除碳，硅，氧，氯，硫和铁在这个固体样品
17、检测出。 6）脱附实验在水和废水处理过程中，IOCS过滤介质吸附后是否可以再生会影响它的实用性，因此，进行脱附实验是IOCS-1对磷的再生吸附研究。解吸效率随着接触时间增加和不同浓度的NaOH溶液的关系示于图7。如图7所示，在第60分钟，解吸磷的效率最大的，然后，他们速度慢慢降下来直到解吸接近完成时，且解吸达到平衡是大约在第160分钟。且解吸磷的效率0.5 M的 NaOH溶液是高于0.1M的NaOH溶液。对于0.5MNaOH溶液中，解吸效率显着高了80比60分钟，到达平衡时间高了90比160分钟。结果表明;在碱性高的环境中，IOCS再生效率更高。应该注意到的是，在解吸过程中，pH值减小，根据2
18、4交换机制，羟基化表面矿物吸附磷酸盐表面过程可以被描述为：其中SOH表示羟基氧化物表面。当磷被吸附时，反应向右进行，而用NaOH 溶液进行解吸再生时，发现溶液pH 值随解吸的进行有降低趋势，说明反应向左进行，吸附在铁改性砂表面的磷被解吸下来可见，铁改性砂对溶液中磷的吸附除静电吸附外，还可能存在离子交换吸附 结论在这项研究中，对两种类型IOCS的评估是根据它们的制备和吸附能力，可提供一个有效的技术去去除水和废水的磷。该主要结论可以列出如下：制备 IOCS-1和IOCS-2的铁的含量分别为31.13和24.59 mg-Fe/g-sand，对与IOCS1和IOCS-2铁含量差异，可以通过X射线分析。
19、吸附实验表明，磷的去除效率IOCS-1大于IOCS-2。IOCS-1可以有效的去除水溶液中的磷。吸附动力学模型表明IOCS-1达到平衡的时间约200分钟。IOCS-1对磷的吸附可以通过Langmuir、Freundlich 和Temkin 吸附等温线均可较好地描述。对于IOCS-1，使用0.5 M的NaOH溶液解吸效率高了90比160分钟，从而证明IOCS-1在碱性环境中可以再生致谢这项研究是由天津市科学No.06YFGZSH00100技术委员会研究。作者感谢日本东北大学的Li Yuyou 教授为他说明和建议。REFERENCES1 E.Liopez, B.Soto, M.Arias, et
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