方沸石岩对含氟水的除氟研究
摘要:对于100mL起始质量浓度3.00mg/L的含氟水,方沸石球较佳的水处理工艺条件为:用量1.5g,搅拌后静置48h,直径3mm。对于起始质量浓度3.00mg/L的含氟水,方沸石球一次水处理后氟离子质量浓度低于国家标准。对于起始质量浓度3.00~10.00mg/L的含氟水,经方沸石球几次水处理后氟离子质量浓度也低于国家标准。方沸石球对氟离子吸附等温线符合Langmuir吸附等温式,为:qe=0.243ce/1+0.433ce;吸附速度符合斑厄姆公式,为:dq/dt=4.48×10-3(qe- q)/t0.176。用过的方沸石球再生处理后活性基本恢复,多次再生后除氟效果有所下降。
关键词:方沸石;提纯;改性;方沸石球;除氟;再生
0 引言
鄂尔多斯盆地跨越陕、甘、宁、蒙四省(区),蕴藏有丰富的煤炭、石油和天然气等矿产资源。由于水资源严重不足,且分布不均,造成环境脆弱,制约了当地社会经济的发展和人民生活水平的提高[1]。勘查发现,盆地白垩系深部赋存有丰富的地下水,但相当一部分地下水水质不好,特别是F-含量普遍为3.0 mg/L左右,局部区域高5.0mg/L,严重超过国家标准(国家标准≤1.0mg/L),是人畜不能饮用的苦咸水[2~4]。
采用微观分析方法,对鄂尔多斯盆地白垩系沉积岩进行研究,首次发现沉积岩中普遍含有方沸石类矿物。就地取材,对方沸石岩进行提纯和改性,制成多孔方沸石球,用于含氟水的处理,取得了明显的效果,并对吸附机理进行了探讨。这为盆地劣质地下水的改良提供了一条新途径,对解决当地水资源短缺问题,促进当地社会经济发展和生态环境建设都具有重要意义[4,5]。
1 材料与方法
1.1 岩样微观分析
鄂尔多斯盆地钻孔岩样经破碎、筛分,制成粉晶样品,利用X射线衍射仪和电子探针分析岩样中方沸石的含量、分布和产出状态;制备岩石金相样品,利用电子探针研究方沸石的形态和化学成分。
1.2 方沸石岩的提纯
选取小于100目的方沸石岩,加水浸泡24h,用增力电动搅拌机搅拌8h,沉降60min,倒掉上层液,取下离心样重复试验,直至方沸石含量无明显提高为止,最后将下离心样烘干备用。
1.3 方沸石岩的改性
选取小于100目的提纯方沸石岩,在450℃下焙烧2.5h,洒水急冷,用1.0 mol/L硫酸铝钾溶液浸泡24h,洗涤后在100℃下烘干备用。
1.4 方沸石球的制备
选取小于100目的改性方沸石岩粉末,按9∶1的配比称取方沸石岩和造孔剂,加入5%的粘结剂,混匀造球,在600℃下焙烧2.5h,取出在空气中自然冷却,干燥备用。
1.5 水处理工艺实验
室温下,配置F-模拟水样,每次取100mL,加入方沸石球,搅拌后静置,用离子选择电极法测定上清液成分。改变试验参数(用量、静置时间、直径、起始质量浓度),重复水处理实验,寻找较佳的水处理工艺条件。
1.6 方沸石球的再生
用过的方沸石球洗涤后在100℃下烘干,用1.0mol/L硫酸铝钾溶液浸泡24h,洗涤后在500℃下焙烧4h,干燥备用。
2 结果与讨论
2.1 水处理工艺实验
2.1.1 用量的影响
配置质量浓度3.00mg/L的F-模拟水样,加入方沸石球,改变用量,进行水处理工艺实验,实验结果如表1。由表1可以看出,随着用量的增加,方沸石球对F-去除率增加。用量在0.5~1.5g范围内,去除率增长很快;用量大于1.5g后去除率增长幅度不大。因此,实验选择1.5g为最佳用量,对起始质量浓度3.02mg/L的F-模拟水样,处理后质量浓度降为0.85mg/L,低于国家标准。
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2.1.2 静置时间的影响
配置质量浓度3.00mg/L的F-模拟水样,加入1.5g方沸石球,改变静置时间,进行水处理工艺实验,实验结果如表2。由表2可以看出,随着静置时间的增加,方沸石球对F-去除率增加。静置时间大于48h后,吸附趋于饱和,随着时间的延长,去除率增长幅度不大。为提高工作效率,实验选择48h为最佳静置时间,对起始质量浓度3.0mg/L的F-模拟水样,处理后质量浓度降为0.86mg/L。
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2.1.3 直径的影响
配置质量浓度3.00mg/L的F-模拟水样,加入1.5g方沸石球,搅拌后静置48h,改变球直径,进行水处理工艺实验,实验结果如表3。由表3可以看出,随着直径的减小,方沸石球对F-去除率增加,其中直径3mm方沸石球水处理效果最好。这是因为直径越小,表面积越大,吸附和交换性能越强。因此,实验选用直径3mm的方沸石球,对起始质量浓度3.02mg/L的F-模拟水样,处理后质量浓度降为0.85mg/L。
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2.1.4 起始质量浓度的影响
选用1.5g直径3mm的方沸石球,搅拌后静置48h,改变模拟水样F-质量浓度,进行水处理工艺实验,实验结果如表4。由表4可以看出,随着起始质量浓度增加,吸附量增加,去除率下降。
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由表4还可以知道,起始质量浓度小于3.00mg/L的模拟水样,一次水处理后F-质量浓度就低于国家标准;起始质量浓度3.00~8.00mg/L的模拟水样,两次水处理后F-质量浓度也低于国家标准;起始质量浓度8.00~10.00mg/L的模拟水样,三次水处理后F-质量浓度也低于国家标准。
综合以上100mL起始质量浓度3.00mg/L含氟水的实验研究,方沸石球较佳的水处理工艺条件为:用量1.5g,搅拌后静置48h,直径3mm。对于起始质量浓度小于3.00mg/L的含氟水,方沸石球一次水处理后氟离子质量浓度就低于国家
标准。对于起始质量浓度3.00~10.00mg/L的含氟水,经方沸石球几次水处理后,氟离子质量浓度也低于国家标准。
2.2 除氟机理探讨
2.2.1 吸附等温线
室温下,固定方沸石球用量,改变F-起始质量浓度,测定吸附容量,以确定方沸石球对F-的吸附能力。常见的吸附等温线形式有Langmuir等温式、Freunlich等温式和Brunaner-Emmett-Teller等温式。按最小二乘法对表4实验数据进行线形拟合,结果发现,方沸石球的吸附等温线与Langmuir等温式符合较好,见图1,拟合直线为:相关系数R2=0.9997
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2.2.2 吸附速度
吸附剂和溶质的种类不同计算吸附平衡过中吸附速率的公式不同,主要有斑厄姆公式、鲛公式和伊洛维奇公式等。室温下,方沸石球与接触开始吸附,随着时间的延长,吸附趋于平按最小二乘法对表2实验数据进行线形拟合果发现,方沸石球的吸附速度基本符合斑厄姆式,见图2,拟合直线为: ln{ln[qe/(qe- q)]}0.824lnt-5.214 ,相关系数R2=0.9990。
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2.3 再生方沸石球的水处理实验
室温下,配置质量浓度3.00mg/L的F-模拟水样,用10个250mL锥形瓶各取100mL,分别加入1.5g不同次数再生的方沸石球,搅拌后静置48h,进行水处理工艺实验,用离子选择电极法测定上清液成分,实验结果见表5。
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由表5可以看出,再生处理后,方沸石球的活性基本恢复。与初生方沸石球相比,1次再生方沸石球除氟效果略有下降。随着再生次数的增多,方沸石球除氟效果有所下降。对于起始质量浓度3.00mg/L的含氟水,再生10次的方沸石球都能一次将氟离子质量浓度降到国家标准以下。方沸石球除氟具有效率高、使用方便、成本低廉的特点,这为鄂尔多斯盆地劣质地下水资源的改良开辟了一种新方法。
3 结论
a.方沸石球对F-的去除率受到用量、搅拌时间、粒度和起始质量浓度的影响。对于100mL起始质量浓度3.00mg/L的含氟水,方沸石球较佳的水处理工艺条件为:用量1.5g,搅拌后静置48h,直径3mm。
b.方沸石球对F-吸附等温线符合Langmuir吸附等温式,为qe=0.243ce/1+0.433ce;吸附速度符斑厄姆公式,为dq/dt=4.482×10-3(qe-q/t0.176。
c.再生处理后,方沸石球的活性基本恢复。与初生方沸石球相比,1次再生方沸石球除氟效果略有下降,随着再生次数的增多,方沸石球除氟效果有所下降。
4 参考文献
[1] 吕荣,魏裕丰,郭小平,等.鄂尔多斯地区水资源现状和利用分析及节水对策的探讨[J].内蒙古林业科技,2002,(增刊):63-68.
[2] 王德潜,刘方,侯光才,等.鄂尔多斯盆地地下水勘查[J].西北地质,2002,35(4):167-174.
[3] 刘世安,黄忠信,陈延,等.鄂尔多斯盆地白垩系地下水形成分布规律[J].干旱区资源与环境,1996,10(1):3-14.
[4] 邵新民.中国西北内陆干旱盆地地下水资源评估与开发[J].水文地质工程地质,2002,29(2):20-23.
[5] 王德潜,刘祖植.西北地区水资源若干问题探讨[J].西北地质,2002,35(3):1-6.
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