天然沸石是呈骨架状结构的多孔性铝硅酸盐晶体,具备较高的阳离子交换能力。近年来利用沸石的阳离子交换能力去除水中的氨氮已经引起了许多研究人员的关注。沸石的铝硅酸盐骨架表面带负电荷,故沸石对水中磷酸根阴离子的吸附能力很差。为提高沸石对水中磷酸盐的吸附能力,对沸石的表面进行适当的处理是必要的。

磷是一种可以引起地表水体富营养化的关键营养元素。人类所产生的含磷废水如果不加处理直接排入地表水体,则会引起地表水体中磷浓度增加,从而增加水体发生富营养化的风险。因此,有效去除含磷废水中的磷酸盐,对于地表水体富营养化防治而言是非常重要的。废水中磷酸盐的主要去除方法包括生物法、化学沉淀法和吸附法等。其中,吸附法被认为是一种可以有效去除废水中磷酸盐的方法,特别是对废水中低浓度磷酸盐的去除更是表现出明显的优势。

一、试验方法

氯化镧(LaCl3·6H2O)购自某有限公司,为分析纯。磷酸二氢钾(KH2PO4)、抗坏血酸、钼酸铵、硫酸、碳酸氢钠、氯化钠、硫酸钠、盐酸、氢氧化钠、酒石酸锑钾等药剂均购自国药集团化学试剂有限公司,均为分析纯试剂。天然沸石产自河北省围场县。X射线衍射分析结果表明,该天然沸石的主要矿物成分为斜发沸石、丝光沸石和二氧化硅。实验用水均为去离子水。

本研究所用天然沸石主要由Si、O、Al、K、Ca和Na等化学元素所组成。表1为不同沉淀pH值条件下制备的镧-沸石复合材料的化学元素含量(质量分数)。从中可见,镧-沸石复合材料不仅包含天然沸石的化学元素组成,而且还包含镧元素。这说明采用本研究所用的方法已经成功制备得到了镧-沸石复合材料。

由图1可见,镧-沸石复合材料具备较强的缓冲能力;当溶液pH值较低(pH<pHPZC)时,镧-沸石复合材料会消耗溶液中H+,导致溶液pH值增加;当溶液pH值较高(pH>pHPZC)时,镧-沸石复合材料会消耗溶液中OH-,导致溶液pH值降低。这说明天然沸石适合作为氢氧化镧的载体材料用来制备高效、经济的除磷吸附剂。

另外,镧-沸石复合材料对水中磷酸盐的单位吸附量随吸附剂投加量的增加而降低。这主要是因为当溶液体积和浓度保持不变时,随着吸附剂投加量的增多,吸附剂表面上处于不饱和的位点也会增多,因此单位吸附量随之下降。

当制备复合材料时沉淀pH值为5~7或13时,复合材料对水中磷酸盐的吸附能力较差;当沉淀pH值控制为9~12,复合材料对水中磷酸盐的吸附能力较好,且当沉淀pH值由9增加到11时,复合材料的吸磷能力明显增加,继续增加pH值由11到12时,复合材料的吸磷能力基本不变。