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    活性氧化鋁不同濃度污水中磷的研究
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    活性氧化鋁不同濃度污水中磷的研究

    2019-07-20      閱讀:
    通過批量吸附實驗明確活性氧化鋁吸附劑量、 值、溫度等不同條件下對 種濃度(  / 180 pH 2mgL mg/L)模擬污水中磷酸鹽效果進行研究,分析活性氧化鋁吸附磷酸鹽的穿透曲線 ,并在此基礎上對其吸磷機制進行分析。結果表明:隨著活性氧化鋁用量增加,2種濃度磷酸鹽平衡濃度逐漸降低,當活性氧化鋁劑量分別增加到3g/L和160g/L時,污水中磷率均達90%以上;在pH 值為5.0,溫度為40 時的吸附條件下,活性氧化鋁對2種濃度模擬污水中磷的吸附效果好;穿透曲線表明,采用1.0L/d低流速條件下,連續運行20h時間,180mg/L磷酸鹽的穿透時間為16h;對于2mg/L的磷酸鹽廢水,在3.8L/d流速下連續運行16d時發生穿透;利用掃描電鏡(SEM),紅外光譜(FTIS)和 X衍射光譜對吸附前后活性氧化鋁表面特征分析,證明了活性氧化鋁對磷酸鹽存在化學吸附作用。因此利用活性氧化鋁可實現對污水中不同濃度磷酸鹽的吸附作用。

    磷是稀缺的元素之一,而富含磷素的廢水排入地表水體后會帶來嚴重的環境問題[1]。作為富營養 化的主要限制,磷控制對于富營養化水體具有重要意義 ,因此許多對于磷的排放都制定了嚴格 規定。污水中磷的含量范圍較廣,以排入地表河流的城市尾水為例,磷含量一般在 2mgL 以下 ,畜禽廢水
    中磷濃度一般為 60~100mgL 200mgL ,而某些工業廢水中磷濃度常達 以上5-6 ,因此實現廢水中不同濃 度磷酸鹽的需倍受關注。目前,多種方法已應用于廢水中磷素的,包括電化學沉淀法、生物法 、 吸附法等 。其中吸附法被認為是一種環境友好、耗能低的有效除磷方法,其原理主要是利用某些多孔或大 比表面積的固體物質對水中磷酸根離子的吸附親和實現廢水的除磷過程;钚匝趸X具有多孔結構,比表面積較大,是一種吸附性與化學穩定性較好的固體吸附劑,目前多集中于單一磷 濃度的靜態研究 ,而缺乏活性氧化鋁對不同磷濃度及動態條件下除磷效果及吸磷機制表征 。因此,針對 高、低2種不同濃度磷模擬廢水進行研究,明確活性氧化鋁在不同條件下的磷吸附效果及機制,以期為活性氧化鋁除磷工藝提供理論參考。

     材料與方法
     
    1.1 供試材料
     
    試驗所用活性氧化鋁是將鋁礬土原料經過化學處理,硅、鐵、鈦等氧化物而制得的氧化鋁原料,Al2O3含量在99%以上,其平均孔徑為7.39nm,孔容0.508ml/g,比表面積約為191.06m2/g;钚匝趸X粉碎過60目篩子,放入110 烘箱中,烘24h后放入干燥器中冷卻至室溫備用。研究所采用的含磷廢水為濃度 2,180mg/L的模擬含磷廢水,由磷酸二氫鉀配制,用 HCl和 NaOH調節 pH。
     
    1.2 試驗設計
     
    設置不同試驗條件(活性氧化鋁用量、H、溫度等),研究活性氧化鋁對2種磷濃度(2,180mg/L)模擬廢水的除磷效果。設置連續流動穿透試驗,在進水流量分別為3.8,1.0L/d條件下確定磷吸附的穿透曲線。穿透裝置如圖1,吸附柱采用玻璃管制成,直徑為2cm,高30cm,距離底部和頂部2cm 處各安裝1塊帶孔篩板,以阻止活性氧化鋁的漏出,活性氧化鋁的添加高度為25cm。穿透裝置下部進水,上部出水,采用泵提供動力。
     
    1.3 測定項目和方法
     
    總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法測定;比表面積采用快速比表面與孔徑分布測試儀(MicromeriticsASAP2000)測定;樣品的紅外光譜采用紅外光譜儀(TENSOR27)分析;X-衍射光譜采用 X 衍射光譜儀(LD1-Y-2000)分析。
    活性氧化鋁不同濃度污水中磷的研究
    結果與分析
     
    2.1 不同試驗條件對活性氧化鋁除磷效果的影響
     
    2.1.1 活性氧化鋁用量對除磷效果的影響   活性氧化鋁劑量對 2種濃度磷酸鹽變化影響見圖 2。隨著活性
     
    氧化鋁用量增加,2種污水中磷酸鹽的平衡濃度隨氧化鋁用量的增加而降低,當活性氧化鋁劑量分別增加到3,160g/L時,磷酸鹽的率都達到90%以上,以后隨活性氧化鋁用量的增加,磷酸鹽的平衡濃度變化不明顯。這是因為增加活性氧化鋁的劑量提供了更大的吸附表面積,并且在前期主要表現的化學吸附可使活性氧化鋁表面分子與水結合生成氫氧化鋁,進而與磷酸根離子發生離子交換,生成磷酸鹽,而后期活性氧化鋁表面的活性逐漸被磷酸鹽反應或覆蓋,從而導致吸附速率降低。
    活性氧化鋁不同濃度污水中磷的研究
    2.1.2 pH 對活性氧化鋁吸磷效果的影響 pH 值的變化對吸附劑從污水中污染物的影響較大, 值的 pH 不同影響吸附劑表面電荷、吸附質的離子化程度以及吸附質的形態。本研究中pH 值對活性氧化鋁吸附磷影響見圖3,該試驗條件為T=25 ,2種濃度磷酸鹽廢水中分別加入活性氧化鋁量為160,3g/L,轉速120rmp?梢钥闯,控制其他條件相同,隨吸附時間的增加3個處理的磷率都有所提高,并且2種模擬含磷廢水均在 pH=5 時,活性氧化鋁對磷率高, 的條件下除磷效果差。說明在堿性條件下不利于活性氧 pH=9
    化鋁對污水中磷的 ,原因在于溶液的 pH值影響活性氧化鋁表面電荷,酸性條件會使活性氧化表面帶 更多的正電荷,有利于對磷酸鹽的吸附,而在堿性條件下則正好相反 [15] 中對于低濃度的磷酸鹽廢水, 。圖 3 pH 值變化對磷的率影響明顯。當 pH=5 時,磷率高達 , 時,磷率保持在 20% 94.7%pH=9
    下。而在高濃度的磷污水中,不同 pH 對磷的率變化相比低濃度變化幅度小, 時,磷率相對較 pH=9 高,并維持在 45% 以上, 時磷率可達 80% 以上?梢,廢水酸堿性影響活性氧化鋁對磷的吸附效 pH=5 果,偏酸性的pH 有利于活性氧化鋁對磷的吸附,而對于低濃度條件下堿性含磷廢水,不利于使用活性氧化鋁對磷的。
    活性氧化鋁不同濃度污水中磷的研究
    2.1.3 溫度對活性氧化鋁吸磷效果的影響   圖 4是溫度對活性氧化鋁吸磷效果影響的試驗條件為 pH=
    5.0,高、低2種磷濃度廢水中加入活性氧化鋁用量分別為 160,3g/L,轉速 120rmp。對于初始磷濃度為 2mg/L的污水,在60min的反應時間內,3個溫度處理均是在吸附 60min時磷的平衡濃度低,在 40 條件下,磷的率大,達到86.7%,10 條件下,吸附20min后,磷率保持在60%以下,且變化不明顯。磷初始濃度為180mg/L時,磷的率同樣以40 條件下高,可達80%以上。溫度為10 時,磷酸鹽的率保持在65%~67%之間,相比25,40 2個溫度下活性氧化鋁對磷酸鹽的率影響不大,說明在高濃度污水(180mg/L磷含量)除磷研究中,吸附反應進行迅速。上述研究表明,活性氧化鋁對磷的吸附屬于吸熱反應,隨著溶液溫度的升高,會導致污水中磷擴散能力提高,有利于活性氧化鋁內部孔隙對磷的吸附作用,因此提高了污水中磷酸鹽的。但由于2種濃度的磷酸鹽廢水在25,40 溫度條件下對活性氧化鋁除磷影響不大,因此從除磷工藝的能耗考慮,溫度控制在25 較為合理。

    2.2 穿透試驗中活性氧化鋁除磷效果
     
    穿透試驗在T=25 條件下進行(圖5),磷含量為2mg/L的模擬污水流量設定為3.8L/d,連續運行時間20d。前16d出水中磷酸鹽濃度緩慢增加,但出水濃度保持在0.6mg/L以下,以后出水磷酸鹽濃度突然,發生穿透現象。在180mg/L含磷污水的穿透試驗中,設定流量為1L/d,隨著穿透試驗的進行,磷的濃度同樣會逐漸,16h前出水中磷酸鹽的濃度基本維持在60mg/L以下,而以后出水磷酸鹽的濃度突然增加。
    從2種濃度磷酸鹽的穿透曲線可以看出,在穿透前,磷酸鹽的率基本維持在60%以上。因此對于不同濃度的含磷廢水可以通過流量調整實現較高的磷。
    活性氧化鋁不同濃度污水中磷的研究
    2.3 活性氧化鋁吸磷前后的 SEM
     
    為了觀察磷吸附前后活性氧化鋁顆粒的表面形態變化,利用掃描電子顯微鏡( )對活性氧化鋁吸磷前 SEM 后表面進行電鏡掃描(樣品取得的試驗條件: ,磷酸鹽初始濃度 / ,轉速 , , T=25 180mgL 120rmppH=5.0 吸附時間為 60min 后得到的樣品,下同)。通過吸附前后活性氧化鋁表面形態(圖 )比較發現,吸附后的掃描
    照片有絮狀物出現,表明吸附劑顆粒的孔隙覆蓋著磷酸鹽吸附質。
    活性氧化鋁不同濃度污水中磷的研究
    2.4 活性氧化鋁磷吸附前后的光譜分析
     
    從活性氧化鋁吸磷前后的紅外光譜(圖7)可以明顯看出,在低頻區1350,1750cm-1附近有2個較強特征吸附峰,當活性氧化鋁吸附磷酸鹽后,該處的振動發生了移動。因此該紅外圖譜表明活性氧化鋁與磷酸鹽存在結合作用;钚匝趸X吸磷前后的 X-射線衍射光譜在不同角度的光強,表現出活性氧化鋁有特定的化學組成?梢钥闯隽孜胶蠡钚匝趸X衍射譜線從 10°至 80°掃描角度存在波峰偏移。說明氧化鋁對磷的靜電吸附作用改變了氧化鋁的化學組成峰強度,原因在于磷酸鹽與氧化鋁的 Al3+ 以及氧化鋁顆粒之間的靜電吸引作用,導致氧化鋁化學組成的吸附譜圖發生改變,表征了吸附后磷酸鹽在活性氧化鋁表面的存在。

    3 結 論
     
     
    研究表明,活性氧化鋁可作為不同濃度磷酸鹽的有效吸附劑使用。對于高、低濃度的磷酸鹽廢水可通過控制活性氧化鋁用量等條件,使污水中磷的率達到90%以上。研究中酸性pH 值和高溫條件有利于活性氧化鋁對磷的吸附。對不同濃度磷酸鹽廢水的穿透流量控制可以有效地廢水中磷酸鹽,穿透前率可達60%以上;钚匝趸X磷吸附的表征研究確定了活性氧化鋁對磷的吸附機制主要是PO3- 與 Al3+4之間的化學吸附作用。本研究還有待進一步和其他吸附劑進行吸磷能力比較,開展活性氧化鋁的吸磷動力學研究,并且有必要利用實際廢水代替人工模擬廢水來驗證活性氧化鋁的實際應用效果。
     
     
     
     
     
     
     
     
     
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