方沸石巖對(duì)含氟水的除氟研究
摘要:對(duì)于100mL起始質(zhì)量濃度3.00mg/L的含氟水,方沸石球較佳的水處理工藝條件為:用量1.5g,攪拌后靜置48h,直徑3mm。對(duì)于起始質(zhì)量濃度3.00mg/L的含氟水,方沸石球一次水處理后氟離子質(zhì)量濃度低于國家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于起始質(zhì)量濃度3.00~10.00mg/L的含氟水,經(jīng)方沸石球幾次水處理后氟離子質(zhì)量濃度也低于國家標(biāo)準(zhǔn)。方沸石球?qū)Ψx子吸附等溫線符合Langmuir吸附等溫式,為:qe=0.243ce/1+0.433ce;吸附速度符合斑厄姆公式,為:dq/dt=4.48×10-3(qe- q)/t0.176。用過的方沸石球再生處理后活性基本恢復(fù),多次再生后除氟效果有所下降。
關(guān)鍵詞:方沸石;提純;改性;方沸石球;除氟;再生
0 引言
鄂爾多斯盆地跨越陜、甘、寧、蒙四省(區(qū)),蘊(yùn)藏有豐富的煤炭、石油和天然氣等礦產(chǎn)資源。由于水資源嚴(yán)重不足,且分布不均,造成環(huán)境脆弱,制約了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高[1]？辈榘l(fā)現(xiàn),盆地白堊系深部賦存有豐富的地下水,但相當(dāng)一部分地下水水質(zhì)不好,特別是F-含量普遍為3.0 mg/L左右,局部區(qū)域高5.0mg/L,嚴(yán)重超過國家標(biāo)準(zhǔn)(國家標(biāo)準(zhǔn)≤1.0mg/L),是人畜不能飲用的苦咸水[2~4]。
采用微觀分析方法,對(duì)鄂爾多斯盆地白堊系沉積巖進(jìn)行研究,首次發(fā)現(xiàn)沉積巖中普遍含有方沸石類礦物。就地取材,對(duì)方沸石巖進(jìn)行提純和改性,制成多孔方沸石球,用于含氟水的處理,取得了明顯的效果,并對(duì)吸附機(jī)理進(jìn)行了探討。這為盆地劣質(zhì)地下水的改良提供了一條新途徑,對(duì)解決當(dāng)?shù)厮Y源短缺問題,促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)都具有重要意義[4,5]。
1 材料與方法
1.1 巖樣微觀分析
鄂爾多斯盆地鉆孔巖樣經(jīng)破碎、篩分,制成粉晶樣品,利用X射線衍射儀和電子探針分析巖樣中方沸石的含量、分布和產(chǎn)出狀態(tài);制備巖石金相樣品,利用電子探針研究方沸石的形態(tài)和化學(xué)成分。
1.2 方沸石巖的提純
選取小于100目的方沸石巖,加水浸泡24h,用增力電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌8h,沉降60min,倒掉上層液,取下離心樣重復(fù)試驗(yàn),直至方沸石含量無明顯提高為止,最后將下離心樣烘干備用。
1.3 方沸石巖的改性
選取小于100目的提純方沸石巖,在450℃下焙燒2.5h,灑水急冷,用1.0 mol/L硫酸鋁鉀溶液浸泡24h,洗滌后在100℃下烘干備用。
1.4 方沸石球的制備
選取小于100目的改性方沸石巖粉末,按9∶1的配比稱取方沸石巖和造孔劑,加入5%的粘結(jié)劑,混勻造球,在600℃下焙燒2.5h,取出在空氣中自然冷卻,干燥備用。
1.5 水處理工藝實(shí)驗(yàn)
室溫下,配置F-模擬水樣,每次取100mL,加入方沸石球,攪拌后靜置,用離子選擇電極法測定上清液成分。改變?cè)囼?yàn)參數(shù)(用量、靜置時(shí)間、直徑、起始質(zhì)量濃度),重復(fù)水處理實(shí)驗(yàn),尋找較佳的水處理工藝條件。
1.6 方沸石球的再生
用過的方沸石球洗滌后在100℃下烘干,用1.0mol/L硫酸鋁鉀溶液浸泡24h,洗滌后在500℃下焙燒4h,干燥備用。
2 結(jié)果與討論
2.1 水處理工藝實(shí)驗(yàn)
2.1.1 用量的影響
配置質(zhì)量濃度3.00mg/L的F-模擬水樣,加入方沸石球,改變用量,進(jìn)行水處理工藝實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。由表1可以看出,隨著用量的增加,方沸石球?qū)-去除率增加。用量在0.5~1.5g范圍內(nèi),去除率增長很快;用量大于1.5g后去除率增長幅度不大。因此,實(shí)驗(yàn)選擇1.5g為最佳用量,對(duì)起始質(zhì)量濃度3.02mg/L的F-模擬水樣,處理后質(zhì)量濃度降為0.85mg/L,低于國家標(biāo)準(zhǔn)。
 |
2.1.2 靜置時(shí)間的影響
配置質(zhì)量濃度3.00mg/L的F-模擬水樣,加入1.5g方沸石球,改變靜置時(shí)間,進(jìn)行水處理工藝實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。由表2可以看出,隨著靜置時(shí)間的增加,方沸石球?qū)-去除率增加。靜置時(shí)間大于48h后,吸附趨于飽和,隨著時(shí)間的延長,去除率增長幅度不大。為提高工作效率,實(shí)驗(yàn)選擇48h為最佳靜置時(shí)間,對(duì)起始質(zhì)量濃度3.0mg/L的F-模擬水樣,處理后質(zhì)量濃度降為0.86mg/L。
 |
2.1.3 直徑的影響
配置質(zhì)量濃度3.00mg/L的F-模擬水樣,加入1.5g方沸石球,攪拌后靜置48h,改變球直徑,進(jìn)行水處理工藝實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。由表3可以看出,隨著直徑的減小,方沸石球?qū)-去除率增加,其中直徑3mm方沸石球水處理效果最好。這是因?yàn)橹睆皆叫?表面積越大,吸附和交換性能越強(qiáng)。因此,實(shí)驗(yàn)選用直徑3mm的方沸石球,對(duì)起始質(zhì)量濃度3.02mg/L的F-模擬水樣,處理后質(zhì)量濃度降為0.85mg/L。
 |
2.1.4 起始質(zhì)量濃度的影響
選用1.5g直徑3mm的方沸石球,攪拌后靜置48h,改變模擬水樣F-質(zhì)量濃度,進(jìn)行水處理工藝實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4。由表4可以看出,隨著起始質(zhì)量濃度增加,吸附量增加,去除率下降。
 |
由表4還可以知道,起始質(zhì)量濃度小于3.00mg/L的模擬水樣,一次水處理后F-質(zhì)量濃度就低于國家標(biāo)準(zhǔn);起始質(zhì)量濃度3.00~8.00mg/L的模擬水樣,兩次水處理后F-質(zhì)量濃度也低于國家標(biāo)準(zhǔn);起始質(zhì)量濃度8.00~10.00mg/L的模擬水樣,三次水處理后F-質(zhì)量濃度也低于國家標(biāo)準(zhǔn)。
綜合以上100mL起始質(zhì)量濃度3.00mg/L含氟水的實(shí)驗(yàn)研究,方沸石球較佳的水處理工藝條件為:用量1.5g,攪拌后靜置48h,直徑3mm。對(duì)于起始質(zhì)量濃度小于3.00mg/L的含氟水,方沸石球一次水處理后氟離子質(zhì)量濃度就低于國家
標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于起始質(zhì)量濃度3.00~10.00mg/L的含氟水,經(jīng)方沸石球幾次水處理后,氟離子質(zhì)量濃度也低于國家標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 除氟機(jī)理探討
2.2.1 吸附等溫線
室溫下,固定方沸石球用量,改變F-起始質(zhì)量濃度,測定吸附容量,以確定方沸石球?qū)-的吸附能力。常見的吸附等溫線形式有Langmuir等溫式、Freunlich等溫式和Brunaner-Emmett-Teller等溫式。按最小二乘法對(duì)表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線形擬合,結(jié)果發(fā)現(xiàn),方沸石球的吸附等溫線與Langmuir等溫式符合較好,見圖1,擬合直線為:相關(guān)系數(shù)R2=0.9997
 |
 |
2.2.2 吸附速度
吸附劑和溶質(zhì)的種類不同計(jì)算吸附平衡過中吸附速率的公式不同,主要有斑厄姆公式、鮫公式和伊洛維奇公式等。室溫下,方沸石球與接觸開始吸附,隨著時(shí)間的延長,吸附趨于平按最小二乘法對(duì)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線形擬合果發(fā)現(xiàn),方沸石球的吸附速度基本符合斑厄姆式,見圖2,擬合直線為: ln{ln[qe/(qe- q)]}0.824lnt-5.214 ,相關(guān)系數(shù)R2=0.9990。
 |
 |
2.3 再生方沸石球的水處理實(shí)驗(yàn)
室溫下,配置質(zhì)量濃度3.00mg/L的F-模擬水樣,用10個(gè)250mL錐形瓶各取100mL,分別加入1.5g不同次數(shù)再生的方沸石球,攪拌后靜置48h,進(jìn)行水處理工藝實(shí)驗(yàn),用離子選擇電極法測定上清液成分,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。
 |
由表5可以看出,再生處理后,方沸石球的活性基本恢復(fù)。與初生方沸石球相比,1次再生方沸石球除氟效果略有下降。隨著再生次數(shù)的增多,方沸石球除氟效果有所下降。對(duì)于起始質(zhì)量濃度3.00mg/L的含氟水,再生10次的方沸石球都能一次將氟離子質(zhì)量濃度降到國家標(biāo)準(zhǔn)以下。方沸石球除氟具有效率高、使用方便、成本低廉的特點(diǎn),這為鄂爾多斯盆地劣質(zhì)地下水資源的改良開辟了一種新方法。
3 結(jié)論
a.方沸石球?qū)-的去除率受到用量、攪拌時(shí)間、粒度和起始質(zhì)量濃度的影響。對(duì)于100mL起始質(zhì)量濃度3.00mg/L的含氟水,方沸石球較佳的水處理工藝條件為:用量1.5g,攪拌后靜置48h,直徑3mm。
b.方沸石球?qū)-吸附等溫線符合Langmuir吸附等溫式,為qe=0.243ce/1+0.433ce;吸附速度符斑厄姆公式,為dq/dt=4.482×10-3(qe-q/t0.176。
c.再生處理后,方沸石球的活性基本恢復(fù)。與初生方沸石球相比,1次再生方沸石球除氟效果略有下降,隨著再生次數(shù)的增多,方沸石球除氟效果有所下降。
4 參考文獻(xiàn)
[1] 呂榮,魏裕豐,郭小平,等.鄂爾多斯地區(qū)水資源現(xiàn)狀和利用分析及節(jié)水對(duì)策的探討[J].內(nèi)蒙古林業(yè)科技,2002,(增刊):63-68.
[2] 王德潛,劉方,侯光才,等.鄂爾多斯盆地地下水勘查[J].西北地質(zhì),2002,35(4):167-174.
[3] 劉世安,黃忠信,陳延,等.鄂爾多斯盆地白堊系地下水形成分布規(guī)律[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,1996,10(1):3-14.
[4] 邵新民.中國西北內(nèi)陸干旱盆地地下水資源評(píng)估與開發(fā)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2002,29(2):20-23.
[5] 王德潛,劉祖植.西北地區(qū)水資源若干問題探討[J].西北地質(zhì),2002,35(3):1-6.
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
