您好,欢迎来到微智科技网。
搜索
您的当前位置:首页钢渣滤料对磷的吸附动力学和热力学

钢渣滤料对磷的吸附动力学和热力学

来源:微智科技网
第36卷第2期 河北联合大学学报(自然科学版) Vo1.36 No.2 2014年4月 Journal of Hebei United University(Natural Science Edition) Apr.2014 文章编号:2095-2716(2014)02-0035-06 钢渣滤料对磷的吸附动力学和热力学 刘 晓,李学莲 (河北联合大学建筑工程学院,河北唐山063009) 关键词:钢渣;磷;反应动力学;等温吸附 摘要:以钢渣为主要原料,添加少量粘土和造孔剂制备钢渣滤料。通过批次吸附实验,研究 了钢渣滤料对废水中磷的吸附特性。结果表明,不同温度条件下钢渣滤料对磷的吸附过程均 符合准二级反应动力学方程,反应的活化能>40kJ/tool。等温吸附过程符合Langmuir方程,在 2O cC、30 cI二和4O℃时的最大吸附量分别为1.166、1.826和2.422 mg/g。热力学参数△Gu、 △ 和△So表明,该过程是自发、吸热、熵增型反应,且磷的吸附以化学吸附为主。 中图分类号:TF703.6文献标志码:A 钢渣作为钢铁行业的废弃物,全世界每年排放量约1~1.5亿吨,仅我国国内积存的钢渣就达2亿多吨, 且正在逐年递增。目前我国对钢渣的利用率仅为10%…,且主要用于冶金、建材等低附加值的领域。利用 钢渣比表面积大,富含钙、铁、铝等活性物质的特点,将其用于废水除磷,是近年来的研究热点之一 。由于 钢渣除磷的机理包括了其表面的吸附、化学沉淀和离子交换等作用L3 J,除磷效果受比表面积,金属离子数 量,以及原水pH值等因素的影响 ,5]。大块钢渣的比较面积较低,除磷效果往往不够理想,因此,现有研究 大都采用微粉钢渣来提高除磷率。这使得钢渣作为滤料的应用受到——过小的粒径不仅造成滤池堵 塞,也存在滤料流失风险。因此,有必要在保持一定粒径的前提下提高钢渣颗粒的孔隙率。本研究以转炉钢 渣为原料,粘土为粘结剂,添加少量淀粉作为造孔剂,制备钢渣滤料,考察了钢渣滤料对废水中磷的吸附特 性,以期为钢渣的资源化利用提供理论参考。 1 材料与方法 1.1试验材料 试验用钢渣取自唐山某钢铁厂,其主要化学成分(质量分数)为:CaO 33.7%,TFe 23.4%,SiO 12.1%, MgO 9.O%,MnO 3.2%,AI:03 3.O%,P 05 1.O%。首先将钢渣粉碎,过200目筛,于105℃烘干,然后将钢 渣、粘土和淀粉按5:2:1的比例充分混匀,加水活匀,在模具中做成直径3mm的球形颗粒,颗粒自然干燥后 在1 100℃的马弗炉中烧结0.5 h。淀粉在烧结过程中分解为二氧化碳和水,从颗粒中逸出,从而产生气孔。 含磷废水由磷酸二氢钾(KH PO ,分析纯)和去离子水配制,pH值用1mol/L的盐酸或NaOH溶液调节。 1.2试验方法 1.2.1吸附动力学研究 取P浓度为25 mg/L的含磷废水各100 mL于250 mL系列具塞锥形瓶中,调节pH值至中性,各加入2 g 钢渣滤料和0.5 mL甲苯(作为微生物抑制剂),每组3个平行。将锥形瓶置于180 r/min摇床中,分别在 20℃、30℃和40℃条件下恒温振荡。在吸附时间为0 min、30 arin、1 h、1.5 h,2 h、3 h、5 h、8 h、14 h和24 h 时取样,用0.45 m滤膜过滤,测定滤液中的P浓度。 1.2.2等温吸附试验 取P浓度为lO一150 mg/L的系列含磷废水各100 mL于250 mL系列具塞锥形瓶中,调节pH值至中 收稿日期:2013-11—15 基金项目:河北省科技计划项目(12273607) 36 河北联合大学学报(自然科学版) 第36卷 性,各加入2 g钢渣滤料和0.5 mL甲苯,每组3个平行。将锥形瓶置于180 r/min摇床中,分别在20℃、 3O℃和4O o【=条件下恒温振荡24 h后取样,用0.45 m滤膜过滤,测定滤液中的P浓度。 1.2.3分析方法 晶体结构及矿物成分通过D/MaX2500PC型x射线衍射仪钡4定,开口孔隙率的测定采用采用浸泡介质 法 ],磷的测定采用钼锑抗分光光度法【 。 磷的吸附量按下式计算: Q ・: 式中,Q 为吸附剂在t时刻的吸附量,mg/g; 为水样体积, ;c0和G 分别为磷的初始浓度和t时刻的浓 度,mg/L;W为吸附剂质量,g。 2 结果与讨论 2.1钢渣滤料的XRD表征 钢渣滤料的x射线衍射图谱如图1。可以看出,钢渣滤料所含的晶体矿物主要包括石英(SiO:,20= 26.54。,50.o4。),钙铝黄长石(Ca A1 SiO,,20=35.32。,31.28。),硅灰石(CaSiO,,20=29.98。),赤铁矿 (Fe2O3,20=33.02。,62.40。),磁铁矿(FeFe2 O4,20=56.86。,42.98)和斜顽火石(MgSiO3,2O=32.36。, 20.74。)等。从矿物成分上看,铁氧化物对液相中的无机离子如PO ,具有较强的吸附能力;硅灰石也是较 好的除磷剂。 黑 20/(。) 图1钢渣滤料的XRD衍射图谱 2.2吸附动力学 Lagergren准一级动力学方程和准二级动力学方程是描述吸附过程常用的动力学模型…。Lagergren准 一级动力学模型的微分方程及其线性表达式如下: Q ( 。 (2) In(Q 一Q )=lnQ 一后。£ (3) 式中,Q 为吸附剂的平衡吸附量,mg/g;k 为吸附速率常数,rain~; 为吸附时间,arin。 由Q 的实验值 (24h后的吸附量)作 (Q。一Q )一 图,线性拟合可得到Q 的计算值和k 。 准二级动力学模型的微分方程及其线性表达式如下: dQt出 :后 (Q 一Q )、“ “  (4) £1 一 。 一Q 一Q k2Q (5) 第2期 刘晓,等:钢渣滤料对磷的吸附动力学和热力学 37 式中,|j}:为吸附速率常数,g/(mg・min)。由t/q 一£图的线性拟合结果,可得到Q 的计算值和k:。 图2为原水浓度为25 mg/L,不同温度下动力学线性表达式的拟合结果,相关参数见表l。可以看出,准 二级动力学模型的拟合效果更佳,相应的Q。计算值与实验值非常接近;而随着温度的升高,平衡吸附量和吸 附速率常数都明显增大,表明升温有利于吸附的进行。 事实上,Lagergren准一级动力学方程往往只描述吸附过程的初期,而不是全过程,此时吸附反应的限速 步骤为液膜扩散 (即液相中PO 一向钢渣滤料表面的扩散)。相比之下,准二级动力学模型(反应速率为吸 附过程的限速步骤)能更好地描述钢渣滤料吸附磷的全过程:初期液相中的PO:一向钢渣滤料表面快速扩散 和吸附,随后P 一在钢渣滤料内部的孔隙中逐步扩散和吸附,最终达到吸附平衡¨ 。随着温度的上升,吸 附速率加快,初期的快速扩散和吸附过程变得更短,因而准一级模型的拟合效果变得更差。 0 .2 。 .4 1500 (3, 一6 1000 一8 500 。1O 12 O 0 200 400 600 800 1000 0 300 600 900 1200 1500 t/min t/min (a)准一级动力学模型拟合 (b)准二级动力学模型拟合 图注:●20 ̄C;一30%;▲40 ̄C 图2钢渣滤料吸附磷的动力学模型拟合 Liu指出,如果某吸附反应符合准二级动力学方程,则该过程不受液相吸附质的浓度影响,而只与吸附 剂表面吸附位的可用率有关 ” 。将式(4)变形为: 吨 -一 ㈤ 定义吸附剂表面吸附位的可用率为: A:1一 (7) 当A=1时,吸附达到平衡。将(7)代入(6),则: 一 d t : A 一 (8)、 k =后:q。 (9) 显然,由t/Q 一 图的线性拟合得到的Q 和k 是相互关联的;实际吸附反应的二级动力学常数应为 kj[10,11】。 表1准一级动力学模型和准二级动力学模型的动力学参数 为了考察钢渣滤料对磷的吸附机理,采用Arrhenius方程计算吸附反应的活化能: 第2期 刘晓,等:钢渣滤料对磷的吸附动力学和热力学 39 钢渣滤料吸附除磷的自由能变AGo、焓变△ 和熵变△Is。值可通过下式计算 : △G0=一RTlnb (13) ln6=一 + R (14) 式中,R为摩尔气体常数,8.314J/(mol・K);T为热力学温度,K;b为Langmuir常数。△ 和△S。 由lnb对I/T作图求得 "],计算结果见表3。 表3钢渣滤料吸附磷的热力学参数 表3中AGo均为负值,说明钢渣滤料的对磷的吸附是自发进行的,△ 和△ 均为正值,说明吸附为 吸热、熵增型反应,升温有利于反应进行。Alkan指出,△ <40kJ/mol为物理吸附,△ q ̄E40~120kJ/mol 化学吸附 。因此,本研究中钢渣滤料对磷的吸附作用以化学吸附为主,这与反应活化能的计算结果相一 致。 3 结 论 a)钢渣滤料对磷的吸附符合准二级动力学方程(R >0.99),吸附反应的活化能 。为41.52kJ/tool。 b)钢渣滤料对磷等温吸附过程符合Langmuir模型(R >0.98),温度从20 ̄(2上升到40 ̄C,最大吸附量 从1.166mg/g增加到2.422mg/g。热力学参数吸附焓变△ >40kJ/mol,自由能变AGO<0,熵变Aso> 0,钢渣滤料对磷的吸附以化学吸附为主,是自发的、熵增型吸热反应,升温有利于吸附的进行。 参考文献: [1] 李延波,丘立平,王广伟,等.水热改性颗粒钢渣的除磷效能[J].中国给水排水,2011,27(9):74-77. [2]Pratt C,Shilton A,Haverkamp R G,et 1a.Assessment ofphysical techniques to regenerate active slag iflters removing phosphorus from wastewater [J].Water esrearch,2009,43(2):277-282. [3]Pratt C,Shilton A N,Pratt s,et 1a.Phosphorus ermoval mechanisms in active slagft'lters treating Waste stabilisation pond eluefnt[J].Environmen— tal Science and Technology,2007,41(9):3296-3301. [4]Drizo A,Forget c,Chapuis R P,et 1a.Phosphorus removla by electric m furnace steel slga and serpentinite[J].Water Research,2006,40(8): 1547—1554. [5]Vinay K J。Yoshikazu K,Akira N,et a1.Utilization ofsteel-making slag for the uptake ofammonium nda phosphate ions from aqueous solution[J]・ Journal of Hazardous Materials,2008,156(1-3):156—162. [6]刘颀,胡亚非,熊建军.石墨多孔材料孔隙率测定方法研究[J].润滑与密封,2010,35(1O):99—101. [7] 国家环保总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2006. [8] Mohan D,Singh K P.Single and multi—component adsorption of cadmium and zinc using activated carbon deirved from bagasse--an agriculturla waste[J].Water Research,2002,36(9):2304-2318. 河北联合大学学报(自然科学版)  YS.McKay G.Pseudo-second order model for sorption processes[J].process Biochemistry,1999,34(5):451-465. [9] Ho第36卷 h E,Mancier V,Fabre B.Ads呷tion of cadmium on diferent granulometicf soil fractions:Influence of organic matter and temperature l J』・ [1O] RotGeoderma。2012,189—190:133 143.  Y.New insights into pseudo—second—order kinetic equation for adsorption[J].Colloids and Surfaces A,2008,320(1-3):275-278. [11] “ullet H,Roels M,Lutgen P,et a1.Removal ofPCBs from wastewater using lfy ash[J]_Chemosphere,2003,53(6):655-665・ [12] Notafa K.Rem0vla of Pb(II)from water by natural zeolitic tuf:kinetics and thermodynamics[J].Journla of Hazardous Materials,2012,199- [13] Mus200:383-389. kan M,Demirbas O,Celikcapal S.Sorption of acid red 57 from aqueous solution sepiolite[J].Journla of Hazardous Materilas,2004,B1 16(1- [14] Al3):135.145. Kinetic and Thermodynamic Studies of Adsorption of Phosphate on Steel-Slag Filter material LIU Xiao,LI Xue—lian (College of Civil and Architectural En ̄neefing,Hebei United University,Tangshan Hebei 063009,China) Key words:steel slag;phosphorus;reaction kinetics;isotherms adsorption Abstract:Slag iflter material made from steel slag and clay was used for phosphate adsorption,and adsorption char- acteristic was studied by batch experiments.Resuhs showed that the uptake of phosphate on slag filter material at different temperature fitted with pseudo second—order model,and the activation energy was more than 40kJ/mo1.In addition.isotherm adsorption data on slag filter material followed the Langmuir model well,and the maximum ad— sorption capacity at 20 ̄C,3OcC and 40 ̄C were 1.166,1.826 and 2.422mg/g,respectively.Thermodynamic param’ eters△G。△H。and A S。showed that the adsorption was spontaneous,endothermic and entropy increase process .and chemical adsorption was dominant for phosphate uptake. 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- 7swz.com 版权所有 赣ICP备2024042798号-8

违法及侵权请联系:TEL:199 18 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务