沸石和糠醛渣對硝酸鹽吸附性影響的研究

李小建，王德漢

（1.廣東省惠州市欣榮環(huán)境保護科技有限公司，廣東惠州516001；2.華南農業(yè)大學環(huán)境科學與工程系，廣東廣州51642）

沸石和糠醛渣對硝酸鹽吸附性影響的研究

李小建1，2，王德漢2

（1.廣東省惠州市欣榮環(huán)境保護科技有限公司，廣東惠州516001；2.華南農業(yè)大學環(huán)境科學與工程系，廣東廣州51642）

利用沸石和糠醛渣改性制得硝酸鹽吸附劑，研究吸附劑的飽和吸附能力和各種影響因子（溫度、pH值、吸附時間、吸附質濃度、吸附劑用量和干擾離子）對硝酸鹽吸附性能的影響。結果表明，改性沸石和糠醛渣的硝酸鹽吸附能力大大增強；影響因子對吸附劑吸附硝酸鹽能力的影響很大，其中升溫有利于解吸、在中性pH值附近脫除率較高、干擾離子可降低吸附劑的硝酸鹽脫除率；影響因子對改性糠醛渣MF的吸附影響要比對改性沸石的影響大。因此，改性沸石在實際應用中比改性糠醛渣MF的硝酸鹽吸附能力強，具有更好的應用前景。

沸石；糠醛渣；硝酸鹽；影響因子

氮肥的大量施用，動物糞便、生活污水、含氮工業(yè)廢水的不合理排放，造成世界各國水體中NO3－濃度呈不同程度地上升，對人類健康和動物生命造成嚴重威脅。如造成地下水中硝酸鹽濃度的升高[1－3]、湖泊富營養(yǎng)化[4－5]，以及大量養(yǎng)殖池塘中魚的發(fā)病和死亡[6－7]。因為硝酸鹽可還原成亞硝酸鹽，可導致高鐵血蛋白癥[8]，還可形成“三致”物質[9]。故WHO和USEPA都規(guī)定飲用水中NO3－－N含量不超過10 mg·L－1[10]，而我國規(guī)定是不超過20 mg·L－1。

研究表明，利用離子交換劑能脫除水體或廢水中的硝酸鹽、鐳、氟化物和砷酸鹽等[11]。合成離子交換劑成本太高，應用前景受到很大限制。國外研究表明，利用天然材料廢物（木屑、谷殼、茶葉渣和蔗渣等）和礦物材料（沸石）可生產出低成本的陰離子交換劑，對水體硝酸鹽有較強的飽和吸附能力[11－12]。沸石和糠醛渣是廉價的礦物材料和工業(yè)廢料，利用它們，改性成硝酸鹽吸附劑，全面研究各種環(huán)境因子對吸附的影響，在國內外都未見報道。

1 材料與方法

1.1 供試材料

沸石（Z）：型號：003（粉狀、通用型），淮業(yè)沸石粉有限公司生產，pH值為6.64?？啡┰‵）：青島平度糠醛廠生產。十六烷基三甲基溴化銨（Hexadecyl Trimethyl Ammonium Bromide，HDTMA）：分析純，上海源聚生物科技有限公司生產，分子量為364.47。

1.2 試驗方法

1.2.1 沸石吸附劑制備[12]

測定沸石（Z）的CEC量為437.7 mmol·kg－1。十六烷基三甲基溴化銨用量按沸石（Z）的CEC量百分比的100%，150%，200%改性成三種吸附劑。先將十六烷基三甲基溴化銨溶于一定量的水中，然后按比例加入沸石，在30℃條件下，攪拌6 h。離心后水洗三次，在50℃條件下烘干，研磨過40目篩，封袋備用。制得三種吸附劑：改性沸石HZ1、改性沸石HZ2、改性沸石HZ3。

1.2.2 糠醛渣吸附劑的制備[13]

按二步法改性：稱取一定量的糠醛渣（F）（過篩40目）在反應皿中，放入水浴鍋中加熱到100℃時加入環(huán)氧氯丙烷（投料比，糠醛渣∶環(huán)氧氯丙烷=1∶10）和N，N—二甲基甲酰胺（DMF）（投料比，環(huán)氧氯丙烷∶DMF= 1∶1.1），同時加入吡啶（投料比，環(huán)氧氯丙烷∶吡啶= 1∶0.4）作催化劑，并不停攪拌1 h。過濾，再用乙醇（乙醇∶水=1∶1）在40℃下洗濾渣，去除多余的吡啶和環(huán)氧氯丙烷。再把上一步產物放入反應皿中，水浴加熱，在90℃時加入50%的二甲胺溶液（投料質量比：糠醛渣∶二甲胺（質量）=1∶0.2～1.5）和37%的甲醛溶液（投料質量比：糠醛渣∶甲醛（重量）=1∶0.021～0.2。），攪拌3 h。過濾后，用乙醇溶液（乙醇∶水=1∶1）水洗，再分別用0.1 mol·L－1的氫氧化鈉溶液和0.1 mol·L－1的鹽酸溶液洗。最后把制得的吸附劑（改性糠醛渣（MF））在40℃條件下干燥4 h，然后研磨過40目篩，裝袋備用。

基金項目：國家863計劃（2001AA246023）；廣東省科技計劃項目（A20405）

作者簡介：李小建（1978－），男，江西吉安人，博士研究生，研究方向:固體廢物處理。

1.2.3 吸附劑的硝酸鹽飽和吸附能力比較

每種吸附劑（改性沸石HZ1、改性沸石HZ2、改性沸石HZ3和改性糠醛渣（MF））稱取2.00 g放入錐形瓶中，加入濃度為500 mg·L－1的硝酸鉀標準液100 mL，在30℃條件下振蕩6 h，過濾，分析濾液中硝酸鹽含量，每個平行做4個重復。統(tǒng)計方法為SAS的Duncan檢驗法。

1.2.4 溫度對吸附劑吸附硝酸鹽的影響

每種吸附劑各稱1.00 g于250 mL的錐形瓶中，在瓶中加入100 mL濃度為100 mg·L－1的硝酸鉀溶液，放在振蕩器上，調節(jié)振蕩的溫度分別為20，30，35，40，50℃5種情況，振蕩60 min，過濾，測定濾液中的硝酸鹽含量，每個平行做4個重復。統(tǒng)計方法為SAS 的Duncan檢驗法。

1.2.5 pH值對吸附劑吸附硝酸鹽的影響

每種吸附劑各稱1.00 g于250 mL的錐形瓶中，在瓶中加入100 mL濃度為100 mg·L－1的硝酸鉀溶液，分別調節(jié)溶液的pH值為1，3，5，7，9，11，放在振蕩器上，在溫度為30℃條件下，都振蕩60 min，過濾，測定濾液中的硝酸鹽含量，每個平行做4個重復。統(tǒng)計方法為SAS的Duncan檢驗法。

1.2.6 吸附時間對吸附劑吸附硝酸鹽的影響

每種吸附劑各稱1.00 g于250 mL的錐形瓶中，在瓶中加入100 mL濃度為100 mg·L－1的硝酸鉀溶液，放在振蕩器上，調節(jié)振蕩溫度為30℃，振蕩時間分別為10，30，60，90，120 min 5種情況，過濾后，測定濾液中的硝酸鹽含量，每個平行做4個重復。統(tǒng)計方法為SAS的Duncan檢驗法。

1.2.7 吸附劑用量對吸附劑吸附硝酸鹽的影響

每種吸附劑分 5種情況各稱 0.50，1.00，1.50，2.00，2.50 g于250 mL的錐形瓶中，在瓶中分別加入100 mL濃度為100 mg·L－1的硝酸鉀溶液，放在振蕩器上，調節(jié)溫度為30℃，振蕩60 min，過濾，測定濾液中的硝酸鹽含量，每個平行做4個重復。統(tǒng)計方法為SAS 的Duncan檢驗法。

1.2.8 硝酸鹽濃度對吸附劑吸附硝酸鹽的影響

每種吸附劑各稱1.00 g于250 mL的錐形瓶中，然后在瓶中加入100 mL濃度分別為50，75，100，125，150，175，200 mg·L－1的7種硝酸鉀溶液，放在振蕩器上，調節(jié)溫度為30℃，都振蕩60 min，過濾，測定濾液中的硝酸鹽含量，每個平行做4個重復。統(tǒng)計方法為SAS的Duncan檢驗法。

1.2.9 干擾離子對吸附劑吸附硝酸鹽的影響

配制好硝酸鉀濃度為100 mg·L－1的分別含SO42－，PO43－，CO32－，Cl－的干擾離子溶液，其中干擾離子濃度分別為0，50，100，200 mg·L－14個水平。然后每種吸附劑各稱1.00 g于250 mL的錐形瓶中，再在瓶中分別加入100 mL含不同干擾離子濃度的干擾離子溶液，放在振蕩器上，調節(jié)溫度為30℃，振蕩60 min，過濾，測定濾液中的硝酸鹽含量，每個平行做4個重復。統(tǒng)計方法為SAS的Duncan檢驗法。

1.2.10 吸附劑對人工濕地排放水中NO3－的吸附性能研究

取得垂直流人工濕地排放水與水平流人工濕地排放水裝入密封瓶中，放冰箱中保存，其理化性質如表1所示。

表1 人工濕地排放水的理化性質mg·L-1

稱取改性沸石HZ2和改性糠醛渣MF各1.00 g，放入容器中，分別加入垂直流濕地排放水與水平流濕地排放水100 mL。然后放在振蕩器上30℃恒溫振蕩60 min，過濾，分析濾液中硝酸鹽含量，每個平行做4個重復。統(tǒng)計方法為SAS的Duncan檢驗法。

1.3 分析方法

NO3－的測量方法采用紫外分光光度法[14]。

2 結果分析

2.1 吸附劑的硝酸鹽飽和吸附能力比較

在國內外，利用改性沸石來吸附陰離子污染物已引起了廣泛的關注，有很多研究表明，利用表面活性劑改性沸石來脫除水體中陰離子污染物是一種經濟可行的方法，它的成本只有陰離子交換樹脂的十分之一。如Li等發(fā)現(xiàn)經陽離子表面活性劑改性的沸石，除保持原有沸石性能外，還可有效脫除水體中的含氧酸陰離子，并可提高其脫除有機物的能力[15]。Haggerty等人研究用HDTMA改性沸石對水體中SO42－，CrO42－，SeO42－等含氧酸陰離子和有機物（如脫水松香酸、四氯己烯、苯、苯酚和苯胺等）的脫除作用[16－21]。近年來國外有研究者利用農業(yè)廢物材料（麥桿和谷殼等）和工業(yè)廢渣（木屑、樹皮、茶葉、甘蔗渣和木質素等）通過化學改性來制備陰離子吸附劑[11，13，22，23]。這些材料都是有機物，由纖維素和木質素組成，具有很多活性基團，通過對這些材料的改性，可脫除水體中硝酸鹽等污染物。

試驗結果如圖1所示，通過改性后，增強了吸附劑對硝酸鹽的吸附能力，最強的是改性糠醛渣（MF）；它分別是改性沸石HZ1、改性沸石HZ2、改性沸石HZ3吸附能力的2.5，2.4和2.3倍，且差異極顯著（P＜0.01）?？啡┰涍^化學改性，接枝上銨基基團，能與陰離子進行離子交換，所以可吸附硝酸鹽。沸石經過十六烷基三甲基溴化銨（HDTMA）改性后，在沸石表面形成一層薄的帶陽離子電層，所以能與陰離子交換吸附，同時沸石是一種多孔道的結構，又能與硝酸鹽發(fā)生物理吸附。

圖1 吸附劑的硝酸鹽飽和吸附能力比較

2.2 溫度對吸附劑吸附水體中硝酸鹽能力的影響

通過改變溫度，進行變溫吸附試驗，結果如圖2所示。溫度對吸附的影響很大，差異極顯著（P≤0.01，Duncan檢驗法）；隨溫度的升高，吸附能力降低，硝酸鹽的脫除率下降。溫度對改性糠醛渣MF的影響最大，降低得最厲害，從20℃升高到50℃，其脫除率下降了55%；而對3種改性沸石的吸附能力影響小些。這可能是因為吸附一般是一個放熱過程，無論是物理吸附還是化學吸附，都存在一個不同的吸附熱，一般降溫有利于吸附，升溫有利于解吸。因此，由于改性糠醛渣MF主要是通過離子交換來吸附陰離子；而改性沸石有很多孔道，在離子交換吸附的同時還有物理吸附發(fā)生。

圖2 溫度對吸附劑脫除硝酸鹽能力的影響

2.3 pH值對吸附劑吸附水體中硝酸鹽能力的影響

改變pH值條件的試驗結果如圖3所示。pH值對吸附的影響很大，差異極顯著（P≤0.01，Duncan檢驗法）；在中性附近，吸附劑的吸附能力強，硝酸鹽脫除率高，而在強酸強堿區(qū)，吸附能力都很低，硝酸鹽脫除率也低。改變pH值條件對改性糠醛渣MF的吸附能力影響最大，其pH值在3～7之間硝酸鹽脫除率較高，其他都較弱。而改性沸石在強酸pH=1時硝酸鹽的脫除率較低，其他區(qū)域都較強，但堿性太強時，硝酸鹽的脫除率也降低。

圖3 pH值對吸附劑脫除硝酸鹽能力的影響

2.4 吸附時間對吸附劑吸附水體中硝酸鹽能力的影響

改變吸附時間的試驗結果如圖4所示。吸附時間對吸附能力的影響很大，差異極顯著（P≤0.01，Duncan檢驗法），吸附能力隨吸附時間的延長而增強，硝酸鹽脫除率增高，在吸附60 min后，斜率減小。改變吸附時間對改性糠醛渣MF的影響較小，其120 min時的硝酸鹽的脫除率比10 min時的脫除率增加了21%，而改性沸石的增加了47%以上，這可能是因為糠醛渣內含的木質素是網狀結構，吸附位多暴露在外，很快就能吸附大量硝酸鹽。而改性沸石是一個多孔道的結構，在外表面的吸附位都吸附后，孔道里的吸附位還有很多是沒有吸附的，由于吸附速度被最慢的吸附速度限制，所以吸附速度要慢些。

圖4 吸附時間對吸附劑脫除硝酸鹽能力的影響

2.5 吸附劑用量對吸附劑吸附水體中硝酸鹽能力的影響

改變吸附劑用量的試驗結果如圖5所示，吸附劑用量大小對吸附能力影響很大，差異極顯著（P≤0.01，Duncan檢驗法），單位吸附劑的吸附能力隨吸附劑的用量增加而降低。在吸附質濃度一定的情況下，增加吸附劑的用量，就等于增多了吸附位，所以脫除能力增強，而單位吸附劑的脫除率下降。

圖5 吸附劑用量對吸附劑脫除硝酸鹽能力的影響

2.6 水體中硝酸鹽濃度對吸附劑吸附性能的影響

改變吸附質濃度的試驗結果如圖6所示，吸附質濃度水平對吸附的影響很大，差異極顯著（P≤0.01，Duncan檢驗法），硝酸鹽脫除率隨吸附質濃度增大而迅速降低，但濃度越高，脫除率降低趨勢變緩。改變吸附質濃度對改性糠醛渣MF的影響最大，在低濃度時，改性糠醛渣MF的硝酸鹽脫除率較低，隨吸附質濃度增加脫除率增強，但在150 mg·L-1后脫除率又開始下降，這主要是因為改性糠醛渣MF是以離子交換吸附為主，吸附質濃度越高，越有利于吸附。而改性沸石的硝酸鹽脫除率一直呈下降趨勢，在50 mg·L-1硝酸鹽濃度時的脫除率是200 mg·L-1硝酸鹽濃度時的1.6倍；特別是三種吸附劑在高濃度吸附質下，硝酸鹽脫除率的差異表現(xiàn)得很明顯，體現(xiàn)出吸附劑吸附能力的差異。

圖6 硝酸鹽濃度對吸附劑脫除硝酸鹽能力的影響

2.7 干擾離子對吸附劑吸附水體中硝酸鹽能力的影響

2.7.1 硫酸根離子對吸附劑吸附水體中硝酸鹽能力的影響

在硝酸鹽溶液中加入不同濃度的硫酸根離子，研究硫酸根離子對吸附劑硝酸鹽脫除率的影響。如試驗結果圖7所示，硫酸根離子能降低吸附劑對硝酸鹽的脫除率，差異極顯著（P≤0.01，Duncan檢驗法）。硫酸根離子對改性糠醛渣MF的硝酸鹽脫除率影響較HZ2大，降低了它的脫除率，最高硝酸鹽的脫除率是最低的2.1倍；而改性沸石HZ2的最高硝酸鹽脫除率只是最低脫除率的1.3倍。

2.7.2 磷酸根離子對吸附劑吸附水體中硝酸鹽能力的影響

在硝酸鹽溶液中加入不同濃度的磷酸根離子，研究磷酸根離子對吸附劑硝酸鹽脫除率的影響。如試驗結果圖8所示，磷酸根離子能降低吸附劑的硝酸鹽脫除率，差異極顯著（P≤0.01，Duncan檢驗法）。磷酸根離子對改性糠醛渣MF的影響最大，嚴重降低它的硝酸鹽脫除率，最高硝酸鹽的脫除率是最低的13.9倍；而且隨干擾離子濃度增加，脫除率逐漸減弱。而改性沸石HZ2的最高硝酸鹽脫除率是最低的1.5倍，隨干擾離子濃度增加，脫除率逐漸降低。

2.7.3 碳酸根離子對吸附劑吸附水體中硝酸鹽能力的影響

在硝酸鹽溶液中加入不同濃度的碳酸根離子，研究碳酸根離子對吸附劑硝酸鹽脫除率的影響。如試驗結果圖9所示，碳酸根離子能降低吸附劑的硝酸鹽脫除率，差異極顯著（P≤0.01，Duncan檢驗法）。碳酸根離子對改性糠醛渣MF的吸附能力影響最大，降低了它對硝酸鹽的脫除率，最高硝酸鹽的脫除率是最低的20.7倍，而且隨干擾離子濃度增加，硝酸鹽的脫除率逐漸減弱。改性沸石HZ2的最高硝酸鹽脫除率是最低的1.4倍，且隨干擾離子濃度增加，硝酸鹽的脫除率逐漸降低。

圖7 硫酸根離子對吸附劑吸附硝酸鹽能力的影響

圖8 磷酸根離子對吸附劑吸附硝酸鹽能力的影響

圖9 碳酸根離子對吸附劑吸附硝酸鹽能力的影響

2.7.4 氯離子對吸附劑吸附水體中硝酸鹽能力的影響

在硝酸鹽溶液中加入不同濃度的氯離子，研究氯離子對吸附劑硝酸鹽脫除率的影響。如試驗結果圖10所示，氯離子能降低吸附劑的硝酸鹽脫除率，差異極顯著（P≤0.01，Duncan檢驗法）。氯離子對改性糠醛渣MF的影響最大，降低了它的硝酸鹽脫除率，最高硝酸鹽脫除率是最低的13.1倍，且隨干擾離子濃度增加，脫除率逐漸降低。改性沸石HZ2的最高硝酸鹽脫除率是最低的1.2倍，且隨干擾離子濃度增加，脫除率逐漸降低。

如圖11和圖12所示，干擾離子硫酸根離子和磷酸根離子對改性糠醛渣MF和改性沸石HZ2的硝酸鹽脫除率影響很大，而碳酸根離子和氯離子對它們的影響較小，只有在干擾離子濃度很高時才會產生較大的影響。這可能是因為吸附劑表面有一層電荷層，易吸附帶電量大和極性強的離子，所以干擾離子能對吸附產生很大影響。

圖10 氯離子對吸附劑吸附硝酸鹽能力的影響

圖11 干擾離子對MF吸附硝酸鹽能力的影響

圖12 干擾離子對HZ2吸附硝酸鹽能力的影響

2.8 人工濕地對吸附劑吸附水體中硝酸鹽能力的影響

人工濕地（Constructed Wetlands，CWs）是模擬自然濕地的人工生態(tài)系統(tǒng)，是一種由人工建造和監(jiān)督控制的、類似沼澤地的地面，利用生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學和生物的三重協(xié)同作用來實現(xiàn)對污水的凈化。人工濕地污水處理系統(tǒng)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種污水處理技術，其去除N，P能力較強，越來越多地受到人們的關注[24]。本試驗人工濕地系統(tǒng)采用垂直流和水平流復合系統(tǒng)，垂直流濕地系統(tǒng)，種植美人蕉；水平流濕地系統(tǒng)，種植西洋菜、蔥等作物，供試污水為華南農業(yè)大學資環(huán)學院五號樓公廁三級化糞池出水。

取人工濕地運行近一年時的排放水來研究吸附劑對實際水體中硝酸鹽的吸附能力。從濕地排放水的水質來看，垂直流濕地排放水是黃色混濁，而水平流濕地排放水較清澈，排放水水質理化性質如表1所示。試驗結果如圖13所示，改性沸石HZ2的出水中硝酸鹽濃度要比改性糠醛渣MF的低，差異極顯著（P≤0.01，Duncan檢驗法），這可能是因為出水中含有很多干擾吸附物質。由表1可知，排放水中含有不同的干擾離子，如磷酸根離子、硫酸根離子等，這些都會降低改性糠醛渣MF的吸附能力，而改性沸石HZ2的抗干擾能力要強，所以受的影響小。所以，在處理實際廢水時，改性沸石HZ2的吸附能力要比改性糠醛渣MF強，更具有實際應用價值。從垂直流濕地排放水的吸附結果可知，改性沸石HZ2的出水中硝酸鹽濃度比改性糠醛渣MF要低6%。水平流濕地排放水的吸附結果可知，改性沸石HZ2的出水中硝酸鹽濃度比改性糠醛渣MF要低16%。

圖13 吸附劑在人工濕地排放水中的硝酸鹽吸附能力比較

3 結論

（1）沸石和糠醛渣經過改性后，制得硝酸鹽吸附劑，其吸附能力大大增強，最強的是改性糠醛渣（MF），它是HZ2的2.4倍。

（2）影響因子試驗結果表明，影響因子對吸附劑的硝酸鹽脫除率影響很大，它隨溫度的升高而下降，表明升溫有利于解吸；隨吸附劑用量的增加而增加；在強酸強堿區(qū)，硝酸鹽脫除率都很低，在中性附近脫除率較高；隨吸附時間延長，脫除率增加；隨吸附質濃度的升高，改性沸石的脫除率下降，改性糠醛渣的是先升后降；而且這些影響因子對改性糠醛渣MF的吸附影響要比對改性沸石的大。

（3）干擾離子能降低吸附劑的硝酸鹽脫除率，其中硫酸根離子、磷酸根離子對硝酸鹽脫除率的影響大于氯離子和碳酸根離子的影響，且它們對改性糠醛渣的影響比改性沸石大，表明改性沸石的抗干擾能力比改性糠醛渣強；在人工濕地排放水硝酸鹽吸附試驗中，改性沸石的吸附能力也大于改性糠醛渣。因此，改性沸石在實際應用中比改性糠醛渣具有廣泛的應用前景。

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Abstract:In this paper,the impact factors of the adsorbents made by modified zeolite and furfural residue on nitrate adsorptive capacity (NAC)were studied,including temperature,pH,adsorption time,nitrate concentration,adsorbent quantity and the interfering ions.The results showed that the adsorbents had high NAC and the impact factors made great impact on NAC:raising temperature would be beneficial to desorption which was high at neutral pH value,and the nitrate removing ratio (NRR)was affected and decreased by the interfering ions.Meantime,the effect of these impact factors on MF was greater than that of modified zeolites.Finally,modified zeolite could be better applied since its adsorptive capacity was better than that of modified MF.

Keywords:zeolite;furfural residue;nitrate;impact factor

Study about the impact factors on the nitrate adsorptive capacity of zeolite and furfural residue

LI Xiaojian1,2,WANG Dehan2
（1.Huizhou Xinrong Environmental Protection Technology Co.,Huizhou 516001,China; 2.Department of Environmental Science and Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China）

X527

A

1674－0912（2011）04－0027－06

2011－02－24）