化 2015年第34卷第1期 工 进 展 ・245・ CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ZnAI和MgAI水滑石吸附废水中磷的研究进展 唐朝春,陈惠民,刘名,叶鑫 (华东交通大学土木建筑学院,江西南昌330013) 摘要:简介了ZnA1和MgA1水滑石的制备方法和除磷原理,制备方法主要有低饱和共沉淀法、尿素分解一均匀 共沉淀法、焙烧复原法和水热合成法等,除磷原理主要是表面静电吸附、离子交换、羟基取代、配位络合和水 滑石再水合过程的进入等。回顾了水滑石在改性方面的研究,改性水滑石较未改性水滑石除磷效果更佳;详细 分析了除磷的各项影响因素,包括制备过程中的不同金属离子摩尔比、焙烧温度、尿素浓度等和反应过程中的pH 值、共存离子、吸附剂用量、反应温度、吸附时间等,在以上这些因素中都存在一个除磷效果最佳的影响值。 简述了在解吸方面所取得的成果,十二烷基苯磺酸钠、十二烷基和1.辛烷等表面活性剂比常规的Na2CO3和 NaC1一NaOH解吸载磷水滑石效果更优。指出了用纯水滑石除磷存在费用较高的问题,可与廉价材料复合改性解 决该问题:总结表明了水滑石吸附除磷今后的热点主要是研究改性后水滑石的除磷效果。 关键词:水滑石;废水;吸附;磷酸盐 中图分类号:X 703.1 文献标志码:A 文章编号:1000—6613(2015)叭一0245—07 DoI:10.16085 ̄.issn.1000—6613.2015.01.044 Advances in adsorption of phosphate in wastewater by ZnAI and MgAI hydrotalcite TANG Chaochun,CHENHuimin,LIUMing,YEXin (School ofCivil Engineering andArchitecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,Jiangxi,China) Abstract:This paper introduces ZnA1,MgA1 and preparation methods of hydrotalcite and phosphorus removal principles.Hydrotalcite preparation methods are low saturation coprecipitation,urea decomposition—uniform coprecipitation,roasting recovery and hydrothermal synthesis.Phosphorus removal principles are surface electrostatic adsorption,ion exchange,hydroxy group substitution, ligand complex and entry of hydrotalcite rehydration.Modiicatfion of hydrotalcite is reviewed. Modified hydrotalcite has beRer effect of removing phosphorus than common hydrotalcite.Influence factors ofphosphorus removal are analyzed,such as molar ratio ofmetal ions,calcination temperature, concentration ofurea,pH,coexisting ions,amount ofadsorbent,reaction temperature,and adsorption time.For all these factors,there is a best influence value of removing phosphorus.The achievement of desorption are summarized.Surfactants,for example,sodium dodecyl benzene sulonatfe has a beRer effect than conventional desorption agent for phosphorus hydrotalcite,such as Na2CO3 and NaC1-NaOH.The problem of higher cost to remove phosphorus with pure hydrotalcite can be resolved by using cheap composite modified hydrotalcite.Future research will focus on the phosphorus removal performance of modified hydrotalcite. Key words:hydrotalcite;wastewater;adsorption;phosphate 收稿日期:2014—05.19;修改日期:2014.07.14。 基金项目:江西省自然科学基金(20132BAB203033)及江西省科技 厅支撑计划(2009AE01601)项目。 第一作者与联系人:唐朝春(1964一),男,教授,主要从事水处理 理论与技术研究。E—mail tangcc1964@163.corn。 ・246・ 化 工 水体富营养化已成为我国面临的首要的水环境 问题,据相关研究发现…,磷是富营养化的主要污 染指标之一。富营养化水体由于磷含量过高会导致 蓝藻大量生长,使得水体透明度降低,水体散发腥 臭味,水中溶解氧减少,大量鱼虾死亡,最终导致 水生态系统迅速崩溃I2】。因此,控制水体的磷含量 能有效遏制富营养化的发生L3J。目前,水体的磷来 源于外源输入和内源释放。外源输入包括城市废水 的点源输入和农畜牧业的面源输入:城市污水处理 厂二级生物处理可削减大部分磷酸盐,但二级出水 的磷排放量仍高于水体自净的限度,从而导致水体 磷含量逐步增加【4】;据相关的农田磷肥流失试验发 现,磷肥流失到水体的量占当年施肥量的1.28% J。 而内源释放是指底泥中磷酸盐的释放,水体底部存 在的活性有机碎屑层在细菌等微生物的作用下,释 放出大量的磷酸盐【oJ。 目前,除磷技术主要有:化学沉淀法、生物 法、吸附法和膜技术处理法等[ 。化学沉淀法、 生物法用在废水除磷中主要存在处理费用高、效 果不稳定等缺点 ],膜技术处理法用在净水技术 中主要存在膜通量小、寿命短、易堵塞等缺点 J。 而吸附法由于具有容量大、耗能少、污染小、去 除快和可循环等优点,已成为国内外用于除磷研 究的热点之一。 1 常用除磷吸附剂及其吸附原理 吸附剂是能有效地从气体或液体中吸附其中某 些成分的固体物质。吸附剂一般具有以下性质:比 表面积大、孔结构适宜、表面结构复杂及带特殊官 能团等。以下是几种常用的吸附剂及其吸附原理: 活性炭类,具有很大比表面积,主要通过静电引力 对污染物进行吸附[1o-n】;金属氧化物类,主要通过 表面络合、取代羟基或静电引力吸附D2-14];生物质 类,通过静电引力等吸附【1孓"】;黏土矿石类,通过 配体交换或静电引力等吸附¨ oJ;分子筛类,有极 大的比表面积,主要通过静电引力吸附[21-23];树脂 凝胶类,主要通过离子交换吸附[24-26];复合吸附剂 类,通过取代羟基或静电引力等吸附L2 。 2 水滑石的制备及特点 水滑石是一种层状双金属氢氧化物。1842年 Hochstetter首先在片岩矿层中发现了天然水滑石 矿。天然水滑石是一种碳酸根型的镁铝双氢氧化物, 形貌主要为叶状、旋转状或纤维团、状【28-29]。1969年, 进 展 2015年第34卷 Allmann[3 ̄]通过测定水滑石的单晶结构,首次确认 了水滑石的层状结构。20世纪90年代初,人们开 始对水滑石进行吸附方面的研究。 ZnA1和MgA1水滑石是分别由Zn、Mg和 Al盐化合物在一定条件下合成的水滑石,目前制备 ZnAI和MgA1水滑石主要有以下几种方法:①低 饱和共沉淀法,是最简单最常用的合成方法【3l】;② 尿素分解一均匀共沉淀法,制备过程中材料的反应时 间对所得类水滑石的组成和结构有很大影响【32j;③ 焙烧复原法,此方法是近几年出现的基于水滑石的 “记忆效应”合成含不同阴离子的水滑石的新方 法[3 ;④水热合成法,合成新型中空微球型水滑石 对磷的吸附容量可达54.i ̄232mg/g[34】;⑤其他方 法,包括N2保护合成法 、回流法【36J、成核/晶化 隔离法[37]、离子交换法【 。 ZnA1和MgA1水滑石特点是内表面积大、正 电荷多、阴离子交换容量大、合成简单、无二次污 染且易再生等,因此作为吸附剂在废水除磷领域中 的应用日益受到关注【3 们。 3 改性水滑石对磷的吸附 ZnA1和MgA1水滑石对磷酸盐的吸附原理主 要有表面静电吸附[4¨、离子交换 、羟基取代 引、 配位络合[36]和水滑石再水合过程的进入【44J等。 近几年来,水滑石的研究方向侧重于通过不同 改性方式提高磷的吸附效能。Koilraj等【3llJ发现 Zr4 改性的ZnA1水滑石(ZnA1Zr水滑石)比 ZnAI水滑石有更强的吸附磷效果,这是因为Zr4 带来了更多正电荷,增强了对阴离子的吸附能力, 并且Zr4 大部分以无定形ZrO2形态存在,增大了 表面积。不同尿素浓度改性的ZnA1水滑石,使水 滑石形态从不规则的薄板型变化到中空微球型,磷 吸附容量随之增大[34]。ZnA1水滑石经过焙烧改性 后比表面积和孔隙率会增大,从而增大吸附除磷容 量【41]。 凹凸棒土改性的MgA1水滑石,其结构变得更 稳定[45]。磁性基质改性的MgA1水滑石可以进行磁 分离【46]。生物炭附着改性的MgA1水滑石,最大饱 和吸附量可以达到410mg/g,比任何已知的水滑石 都要高 。 综上所述,改性水滑石较未改性水滑石有更多 的正电荷、更大的比表面积和孔隙率、更稳定的结 构等,进而有更佳的除磷效果。因此,改性处理后 的水滑石除磷效果将是未来研究的热点。 第1期 唐朝春等:ZnA1和MgA1水滑石吸附废水中磷的研究进展 ・247・ 4 水滑石吸附除磷的影响因素 4.1制备过程对除磷的影响因素 4.1.1 不同金属离子的摩尔比 Han等[4 】研究不同Zn/A1摩尔比下制备的水 滑石对吸附除磷的效果,发现Zn/Al摩尔比为2: 1较3:1和4:1时对磷的吸附容量更大,这可能 是由于较大的A13+含量增加了水滑石层间的净正 电荷数,从而增强了吸附磷离子的能力。而Zn/A1 摩尔比为1:1或1:2时,由于层间存在过多的 Al针使得水滑石的晶体结构遭到破坏,导致其对磷 的吸附容量下降 J。 而Das等 J研究Mg/A1摩尔比为2:1、3:1 和4:1的MgA1水滑石除磷效果,发现随着比值 的增大,可能由于层间净正电荷数减少,使磷的吸 附百分数明显下降。由于很难制得Mg/(AI+Zr)摩 尔比为2的MgAIZr水滑石,而摩尔比为3时也 有很高的比表面积,因此为最佳吸附磷摩尔tL[如J。 4.1.2焙烧温度 一些经焙烧处理的水滑石化合物被投入水环境 中将发生自发的再水合作用和结构重建,这一现象 称为“记忆效应”L5 。在这个过程中,水中的阴离 子可以被卷入水滑石的层间,从而大大提高了其对 磷离子的吸附能力L5 z-。不同焙烧温度下的水滑石会 因结构的变化而带来不同的“记忆效应”。研究不同 焙烧温度下的znAl和ZnA1La水滑石吸附除磷 效果,发现当温度增到300℃时,水滑石转变为亚 稳态混合金属氧化物,影响磷酸根吸附的层间阴离 子(如CO32-)在焙烧过程中释放出来,带来了较 大的比表面积,对除磷有较好的吸附效果[41, 搿】。 若进一步提高焙烧温度反而会降低其对水中磷酸盐 的吸附能力【47】。当在600℃时,由于高温使得水滑 石结构发生变化,转变为尖晶石,降低了吸附容 量 。 Das等 9J研究焙烧温度对MgA1水滑石吸附 除磷影响,发现500 ̄C焙烧的MgA1水滑石比其他 温度焙烧的水滑石有更高的除磷效率,可能归因于 它有更大比表面积(210mZ/g),从而得到最大磷吸 附容量为42.4mg/g。Antonio等 5J研究用不同温度 焙烧层间含CO3Z_的MgAI水滑石(MgA1一CO 水 滑石)吸附除磷效果,发现MgA1一CO3水滑石在焙 烧温度450℃时比20 ̄C有更强的吸附磷能力。 4.1_3尿素浓度 在制备过程中,不同尿素浓度会使水滑石形成 不同的结构形态。杨思亮等【5 6J研究在0.1mol/L、 0.4mol/L和0.6mol/L尿素浓度下制备的ZnA1水滑 石吸附除磷效果,发现在0.1mol/L时得到的水滑石 有明显片状结构,随着尿素浓度增加,在O.6mol/L 时形态变为大小形状不均的团聚体,从而得到最大 的比表面积和孔隙体积,因此以0.6moUL尿素浓度 的除磷效果最佳。另外Zhou等【3 】也发现不同的尿 素浓度可以使ZnA1水滑石的形态从不规则的薄 板型变化到中空微球型,而分层中空微球型ZnA1 水滑石具有独特的分级多孔结构和高比表面积,最 大磷吸附容量可达232mg/g,是薄板型54.1mg/g的 4倍。 4.1.4其他 除了上述影响因素外,层间阴离子、合成温度 和合成时间等对水滑石除磷也有一定的影响。层间 阴离子是指在制备水滑石样品时带入层间的阴离 子,一般所指的是CO3 、CI一、NO3一三种。He 等Lj bJ研究ZnA1.CO3、ZnA1.C1和ZnA1.NO3水滑 石对磷吸附效果,发现ZnAI—CO3水滑石对磷酸盐 的选择吸附性较吸附溶液中其他共存离子(C1一、 5042一、NO3-)稍强,但无明显对磷的选择吸附性, ZnA1一C1水滑石对磷酸盐和硫酸盐都有很高的选择 吸附性,而ZnA1-NO3水滑石对磷酸盐有唯一的高 选择吸附性。 Cheng等 和陈爱燕等[533研究合成温度在 25 ̄90 ̄C之间制得的ZnA1水滑石吸附除磷效果, 发现随着合成温度的增加,比表面积和结晶度分别 大致呈现增大和减小的趋势,在70 ̄C时合成的水滑 石吸附磷效果最好。 陆英等[3 】研究合成时间对ZnA1水滑石吸附 除磷的影响,发现当合成时间由12h增至96h时, 制得的ZnA1水滑石中Z1VAI摩尔比由2.06降至 0.70,而比表面积则提高了7.6倍,样品比表面积的 增大可能引起ZnAI水滑石对水中磷酸根的吸附 性能增强。 4.2反应过程对除磷的影响因素 4.2.1 pH值 pH值通过影响溶液中物质存在状态和吸附剂 表面特性,进而影响吸附剂对溶液中物质的去除效 率。在偏中性和弱碱性条件下,焙烧态ZnA1水滑 石除磷效果较好,因为在酸性或强碱性下,焙烧态 水滑石会发生部分水解,磷吸附性能的明显降 低 引。在pH值为5~10时ZnA1水滑石水解到 溶液中的Zn 和A1"浓度均低于1.Sm ̄L,该pH ・248・ 化 工 值范围下的ZnAI水滑石水解微乎其微,其吸附除 磷效果较佳[ 引。Koilraj等 用ZnA1Zr水滑石在 pH值为2.3时得到了1 10mg/g的最大磷吸附容量, 这可能是因为金属阳离子的部分溶解,水滑石上附 着了更多带正电荷的H+,从而能吸附更多带负电 荷的磷酸盐。 在pH值为6.0~9.0的自然水体中,MgA1和 ZnAI水滑石吸附除磷的效率都能大于90%[4 。而 MgAI水滑石除磷更适宜的pH值为4~8,其他 pH值范围内的水滑石水解较明显,对吸附除磷影 响较大[58]。 综上所述发现,pH值在4~10时,MgAI和 ZnAI水滑石的水解量很少,使得其对磷的吸附效 果较为理想。而过酸或过碱,MgA1和ZnA1水滑 石会发生部分水解,导致吸附性能明显降低,不利 于对磷的吸附。 4.2.2共存离子 共存离子对吸附除磷存在阻碍、促进和无明显 影响。He等 】研究发现共存离子会阻碍磷的吸附, ZnA1.CO3水滑石样品,吸附磷能力只比吸附溶液中 其他离子如SO42_、C1一、NO3一稍好些,对磷没有 明显的选择吸附性,除磷效果不佳。当吸附位点有 限时,溶液中F-的存在也会抑制142PO4一的吸附, 因为MgAI.CO3水滑石对F一的亲附性优于一价 H2PO4一【4 。而结晶的MgAIZr-C1水滑石对HPO42一 的吸附却小于对NO3一的吸附,NO3~的存在阻碍了 磷的吸附L5…。 有时共存离子也可以促进磷的吸附,ZnA1Zr 水滑石由于NO 一溶度的增加而导致了zn2 溶 解,从而促进了磷酸盐的吸附,在初始溶液中P: N为1:50时达到148mg/g的磷吸附容量L3 。而溶 液中存在高浓度的Mg2 时,也会对ZnAI水滑石 除磷有一个小的促进作用[421。 共存离子对吸附除磷也会无明显影响,在溶液 中存在SO4 、C1一、NO3一时,ZnA1 NO3、ZnA1一C1 水滑石和焙烧态ZnAI水滑石仍能对磷产生高的 选择吸附性,这可能是因为磷酸根与水滑石吸附剂 表面的活性羟基交换能力强于其他阴离子【3 ]。 MgA1Zr-CO 水滑石对磷酸盐有很高的选择吸附 性,对HPO42-的吸附性能远大于对C1一、NO3一、 SO42一的选择吸附}生能,这可能是因为磷酸根离子直 接与位于层间的zr(iV)离子进行了络合反应【5Ⅲ。 4.2-3吸附剂用量 吸附剂投加量直接决定了磷酸盐的去除率和吸 进 展 2015年第34卷 附容量。当吸附剂投加量增大时,会带来更多的除 磷吸附位点,而吸附容量则会在到达一个峰值之后 下降。Yang等 3J在初始磷的质量浓度为40mg/L 时,分别投加0.02g/L到0.16g/L的MgAI和ZnAI 水滑石,发现对磷去除率大于96%的最佳吸附剂投 加量分别为0.10g/L和0.04g/L。 Koilraj等 在初始磷的质量浓度为200mg/L, 反应时间为2h,投加ZnAIZr水滑石的量为0.25~ 3g/L时进行研究,发现投加lg/L水滑石的磷酸盐 去除率和吸附剂利用率最佳。 Das等 ]研究发现,在初始磷的质量浓度为50 rng/L、pH值为6.0、温度30℃、焙烧态MgA1水 滑石的投加量为0.4--Sg/L时,随着投加量的增加, 磷酸盐去除率逐渐上升而吸附容量逐渐下降,磷吸 附容量在0.4g/L时最大(44.3rag/g)。 4.2.4反应温度 反应温度通过影响微生物的活性和水滑石对磷 酸盐的亲和力,进而影响水滑石对磷的吸附效果。 孙德智等 J研究焙烧态ZnA1水滑石发现,污泥脱 水液水温从25℃升高至30℃时,水滑石对磷吸附容 量明显增加,但水温继续升高至50 ̄C时,水滑石吸 附容量又降至25℃时的水平,这可能是因为在中温 时,附着在水滑石表面的微生物活性增强,从而消 耗了部分磷酸盐,增加了水滑石对磷吸附容量。 Das 9】在2006年研究表明,温度从30℃增 到60 ̄C,焙烧态MgAI水滑石的除磷率逐渐减少, 这可能是因为温度升高降低了水滑石对磷酸盐的亲 和力。另一项研究表明,温度在25 ̄40℃之间, MgA1一CO 水滑石的除磷效率随温度的升高而增 强[59]。 4.2.5吸附时间 吸附时间是衡量磷吸附快慢的指标,磷的吸附 量随吸附时间变化一般呈现为初期快速上升而后期 趋于稳定的规律。吸附剂上吸附位点的数量是影响 吸附快慢的主要因素之一,吸附时间增加则吸附位 点会减少。MgA1和ZnA1水滑石在室温下,前20 arin吸附量快速增加,在40 min时达到吸附平衡, 去除率都大于95% 引。 Cheng等[42J用尿素分解一共沉淀法制成的 ZnA1水滑石除磷的研究表明,吸附分为两个快反 应,第一个快速吸附发生在前10h,主要通过离子 交换进行吸附,10h后开始第二个快速吸附,主要 通过离子交换和表面吸附/络合进行吸附。 黄中子等[58J研究MgA1 CO3水滑石除磷效果, 第1期 唐朝春等:ZnA1和MgA1水滑石吸附废水中磷的研究进展 ・249・ 发现当初始磷的质量浓度在25~100mg/L时,水滑 石对磷的吸附在30rain内即可达到吸附平衡,除磷 率高达99%以上。焙烧态MgA1水滑石吸附磷速率 较快,4h即可达到吸附平衡L4 。 4.2.6其他 除了上述影响因素外,初始磷的质量浓度和添 加顺序等对水滑石的除磷效果也有一定影响。一定 量的吸附剂的吸附位点总数量是固定的,当初始磷 的质量浓度增加时,会导致磷的去除率下降 引。Cai 等 】用氟化物和磷酸盐在焙烧MgA1.CO3水滑石 上竞争吸附和Antonio等[551用砷酸盐和磷酸盐在 MgA1水滑石上竞争吸附,共同表明了先添加的阴 离子比后添加的被吸附得更多。 5水滑石的解吸 孙德智等[ 】利用5%NaOH+10%Na2CO3溶 液解吸载磷ZnA1水滑石的效果最佳,解吸率最高 可达到91.17%,这可能是因为载磷水滑石的解吸能 力随碱性增强而明显增强,然而强碱又会促进水滑 石的解离,在该浓度的溶液下达到了综合解吸最佳 值。Akihiro等【6叫研究表面活性剂解吸载磷MgA1 水滑石效果,发现0.003mol/L的十二烷基和 0.008mol/L的十二烷基苯磺酸钠都可以对水滑石达 到几乎全部解吸。1.辛烷的表面活性剂首次通过离 子交换完全去除了MgA1水滑石层间的HPO42_, 解吸能力比常规的Na2CO3和NaC1-NaOH都高 得多 。 解吸剂去除负载在水滑石上的磷酸盐,从而使 水滑石可以循环利用,提高了水滑石的使用效率。 近年研究用十二烷基苯磺酸钠,十二烷基和1.辛烷 等表面活性剂进行解吸载磷MgA1水滑石,解吸效 果十分显著,但其解吸原理还不甚清楚,该类表面 活性剂的解吸原理将是今后解吸研究的重点。此外, 用该类表面活性剂解吸载磷ZnA1水滑石也是未 来的一个研究方向。 6 结 语 改性水滑石可以表现出比未改性水滑石更佳的 除磷效果。影响因素对ZnA1和MgA1水滑石除磷 的效果为:ZnA1和MgA1水滑石中Zn/A1和 Mg/A1的最佳除磷摩尔比都为2:1;ZnA1和 MgA1水滑石的最佳除磷焙烧温度分别为300*C和 500℃;尿素浓度会影响水滑石的结构;pH值在4~ 1O时,MgA1和ZnAI水滑石吸附磷效果较为理 想;共存离子对水滑石吸附除磷分别有阻碍、促进 和无明显效果的影响;投加量的增加会使磷酸盐去 除率逐渐上升而吸附容量却逐渐下降;磷的吸附量 随吸附时间变化一般呈现为初期快速上升而后期趋 于稳定的规律。表面活性剂对载磷MgA1水滑石几 乎达到全部解吸。 ZnA1和MgA1水滑石由于其独特的层状结构 和带有大量的正电荷,使其较其他类吸附剂有更高 的饱和吸附容量,经不同途径处理过的水滑石对磷 有高选择吸附性。水滑石不仅可以单独作吸附剂使 用,亦可以黏附于其他吸附剂上,以提高其他吸附 剂的吸附性能。水滑石未来研究的方向主要有:① 在保证对磷的高选择吸附性和高饱和吸附容量情况 下,通过与其他廉价的吸附剂或材料结合以降低造 价,廉价材料尤以各类黏土矿石和生物质为主;② 研究表面活性剂等高效解吸剂的解吸原理;③吸附 磷后的水滑石用作某一类植物的磷肥,以期达到废 物利用和植物解吸。水滑石的高选择吸附磷和高吸 附容量,使得它在治理富营养化水体和降低二级出 水磷含量方面有广阔的应用前景。 参考文献 [1】 刘连成.中国湖泊富营养化的现状分析[J】.灾害学,1997,12(3): 6l-65. 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