【正文】 pH 值對氨氮去除率的影響 在水樣 pH 值對吸附效果的影響實驗中，用 mol/L 的 HCl 和 NaOH 溶液將 50mL的水樣分別調(diào) pH 值為 10，按照 實驗中所得結(jié)果，活性炭投加量為2 g，反應(yīng)溫度 293 K（ 20℃），震蕩反應(yīng) 1 小時后，靜置 10 min，取上清液用化學(xué)分析濾紙進行過濾，然后測定剩余氨氮含量。將所得結(jié)果使用 Excel 2021 進行繪圖，所得結(jié)果見圖 23. 從實驗結(jié)果可以看出，在酸性或堿性條件下，活性炭對氨氮的吸附效果均優(yōu)于pH= 時的中性條件，且其去除率與酸堿程度成正比關(guān)系。在酸性和堿性條件下，活性炭的性質(zhì)可能發(fā)生改變，即活性炭的酸堿改性，從而使其對氨氮的吸附 容量得以提高，吸附性能得到優(yōu)化，改善吸附效果；同時，堿性條件有利于溶液中的銨離子（ NH4+）轉(zhuǎn)化為游離氨（ NH3）逸出，使溶液中氨氮含量減少，氨氮去除率增高。 由于這些原因，使得在不同 pH 值情況下，活性炭對氨氮的去除率曲線呈現(xiàn)出“ V”字型?；钚蕴吭谒釅A條件下均會被改性，改善其吸附性能，提高氨氮去除率；但是活性炭的酸堿改性效果不太明顯，對氨氮的去除效果改善的也不明顯。 接觸時間對氨氮吸附效果的影響 圖 23 pH 值對氨氮去除效果的影響 16 在接觸時間對氨氮吸附效果的影響實驗中，根據(jù) 和 的實驗結(jié)果，選擇在溫度為 293 K（ 20℃）， pH=，活性炭投加量為 g 條件下，在 250 mL 錐形瓶中加入 50 mL 氨氮濃度為 50 mg/L 的水樣，進行振蕩。分別在 30 min、 60 min、 90min、 135 min 和 180 min 時檢測溶液中的氨氮剩余濃度。并使用 Excel 2021 繪制出吸附效果隨時間的變化曲線，見圖 24。 由實驗結(jié)果可以看出，活性炭對氨氮的去除率隨著反應(yīng)時間的增加而增加，當(dāng)?shù)竭_90 min 后，氨氮的去除率增加變得不明顯，其主要原因是活性炭的吸附容量趨近飽和。從圖上可以看出，在開始的 30 min 內(nèi)，活性炭的吸附速率較快，此時吸附效果隨時間的變換增加較明顯； 1 h 之后隨著其吸附容量的趨近飽和，活性炭吸附速率逐漸減緩，吸附時間隨時間變化曲線較為平緩；當(dāng) 135 min 時，吸附已基本達到平衡狀態(tài)。 因此，由于吸附平衡所需時間較長，故而活性炭吸附氨氮的最佳接觸時間確定為1h。此時活性炭的吸附性能已得到充分發(fā)揮。 吸附等溫線的測定 準(zhǔn)確稱取 6 組 2 g 經(jīng)過干燥后的活性炭分別加入 6 個 250 mL 錐形瓶中，依次分別加入 50 mL 氨氮濃度為 10 mg/L、 20 mg/L、 40 mg/L、 60 mg/L、 80 mg/L、 120 mg/L 的自配水樣，在 293 K 條件下恒溫振蕩 2 h。靜置后取上清液過濾，濾后測定氨氮含量。得到 6 組平衡時氨氮濃度（ Ce(mg/L)）和活性炭吸附量（ Qe(mg/g)）數(shù)據(jù)， Qe 按下式計算： 0()1000eV C CQe m ?? ? （式 21） 式中： Qe—— 平衡時吸附容量（ mg/g）； C0、 Ce—— 氨氮初始濃度和平衡氨氮濃度（ mg/L）； V—— 原水體積（ mL）； m—— 吸附劑質(zhì)量（ g） 。 將所得結(jié)果（表 ）用 Excel 2021 進行繪圖，結(jié)果見 25。 圖 24 接觸時間對氨氮去除效果的影響 表 活性炭吸附等溫線計算表 17 初始氨氮濃度（ mg/L） 平衡氨氮濃度（ mg/L） 去除率（％） 吸附容量 Qe（ mg/g） 10 20 40 60 80 120 小結(jié) —— 最佳實驗條件的確定 通過 ~ 的實驗，分別研究了 活性炭投加量、 pH 值和反應(yīng)時間對氨氮吸附效果的影響。 活性炭投加量對吸附效果的影響，其表現(xiàn)為氨氮去除率與投加量呈正比關(guān)系。通過研究活性炭對氨氮的單位吸附量，確定活性炭的最佳投加量為 2g/50mL（濃度為50mg/L），此條件下，活性炭的吸附特性得以充分發(fā)揮，且能取得較好的吸附效果。 pH 值對吸附效果的影響中，吸附效果變化曲線呈“ V”字型。在酸性或堿性條件下，活性炭均能被改性，提高其吸附效果，但其提升效果不甚明顯。結(jié)合實際情況，按照實用性原則，選擇中性條件即不改性條件進行吸附較為合理，且在該條件下活性炭對氨氮 的去除效果也滿足要求。 在反應(yīng)時間對氨氮吸附效果的影響實驗中，隨著反應(yīng)時間的增加，氨氮去除率也逐圖 25 活性炭對氨氮的吸附等溫線 18 漸增加；但是去除率增加速率隨著時間增加而逐漸變小，到最后達到吸附平衡?；钚蕴课桨钡奈狡胶鈺r間為 180 min，到達吸附平衡所需時間較長；但當(dāng) 60 min 左右，活性炭對氨氮的去除率為 %，針對實際情況，選擇最佳反應(yīng)時間為 1 h。 19 第三章 多孔陶瓷吸附去除廢水中氨氮的研究 多孔陶瓷的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用 多孔陶瓷的發(fā)展及其結(jié)構(gòu)特點 多孔陶瓷材料是一種新型的工業(yè)陶瓷材料。 多孔陶瓷是一類具 有相互聯(lián)通或封閉的發(fā)達氣孔系統(tǒng)的陶瓷材料，其發(fā)展始于 19世紀(jì) 70 年代 [21]。 多孔陶瓷的特點，就是具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，另外具有陶瓷材料本身所具有的特點，如耐高溫、耐腐蝕、抗壓強度大、抗熱沖擊負(fù)荷小、缺乏韌性等。而氣孔的形狀、形態(tài)、直徑及其分布，對多孔陶瓷的性質(zhì)和功能有著重大的影響。因此，多孔陶瓷制備工藝具有一般陶瓷工藝的技術(shù)特點以外，還有如何形成實際合理的孔隙結(jié)構(gòu)（如孔隙率、孔徑、氣孔分布等）的工 藝機制。 多孔陶瓷的應(yīng)用 多孔陶瓷在用作吸聲材料、人工骨、敏感元件等方面是目前人們重視的主要方向。 但隨著其應(yīng)用范圍的不斷擴大，多孔陶瓷在制造工藝和結(jié)構(gòu)特性等方面均有了很大的發(fā)展，其材質(zhì)由普通材質(zhì)發(fā)展到耐高溫、耐腐蝕、耐抗熱沖擊性的材質(zhì)；氣孔孔徑由103m 級到埃級，同時其氣孔率為 20％ ~85％；使用溫度從常溫發(fā)展到高溫（最高可達1600℃ ）。多孔陶瓷所獨有的優(yōu)良特性及工藝發(fā)展為其帶來了廣闊的應(yīng)用前景。 初期多孔陶瓷僅作為細(xì)菌過濾材料而被使用，隨著控制材料的細(xì)孔結(jié)構(gòu)水平不斷提高及其獨特的優(yōu)異的特 性，例如：耐高溫、耐腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性高等。在作為分離、分散、吸收以及流體接觸等方面，其能發(fā)揮優(yōu)良的性能。這些優(yōu)異特性，使多孔陶瓷這一綠色材料在氣液過濾、凈化分離、化工催化載體、吸聲減震、高級保溫材料等多方面的應(yīng)用得到了廣泛的應(yīng)用而被用于化工、石油、冶煉、制藥、紡織、食品等工業(yè)部門 [22, 23]。 據(jù)文獻，部分多孔陶瓷（如由主要成分為氧化硅和氧化鋁的粉煤灰制備而成的）表面具有一定的活性基 團 [24]，能夠吸附去除水中的懸浮物、有色物質(zhì)耗氧物質(zhì)，從而降低水中色度、 BOD 等參數(shù)，同時還具有除氟、除臭的能力。 本文主要研究這種比表面積大、孔隙率高且陶瓷表面具有一定活性基團的多孔陶瓷材料對廢水中氨氮的吸附。 多孔陶瓷吸附去除廢水中氨氮的實驗研究 20 實驗儀器和試劑 本實驗所使用的實驗儀器和試劑等與 和 一樣，詳情請見表 和表 。 本文所使用的水樣均為實 驗室自配氨氮廢水（不同濃度的 NH4Cl 溶液）。 多孔陶瓷顆粒投加量對吸附效果的影響實驗 準(zhǔn)確稱取 3 g、 6 g、 9 g、 12 g、 15 g 經(jīng)過 150℃干燥過的陶瓷顆粒，分別加入 5 個250 mL 的錐形瓶中，同時取 50 mL 氨氮濃度為 50 mg/L 的水樣，在室溫 293 K（ 20℃）條件下，恒溫振蕩反應(yīng) 1 h。靜置后取上清液進行過濾，過濾后分別測定氨氮含量。根據(jù)所得結(jié)果利用 Excel 2021 繪制投加量與吸附效果的關(guān)系曲線，圖 31。 從圖 31 可以看出，隨著多孔陶瓷顆粒投加量的增 大，氨氮的去除率增大（從% 增加到 %）；但是多孔陶瓷的單位吸附量隨著其投加量的增大先上升而后呈下降趨勢，且在投加量為 9 g 時最好，達到 mg/g。這是由于當(dāng)陶瓷顆粒投加量較少時，吸附劑陶瓷顆粒相對于吸附質(zhì)氨氮是不足的，陶瓷顆粒達到吸附飽和狀態(tài)的時候，溶液中仍有大量氨氮未被吸附去除；但隨著投加量的增加，吸附劑陶瓷顆粒相對于氨氮來說是過量的，氨氮的去除率也隨之升高，但陶瓷顆粒的吸附性能不能被充分利用，會產(chǎn)生空余的活性物質(zhì)。因此根據(jù)陶瓷顆粒對氨氮的單位吸附量來確定其最佳投加量是比較合理 的。 由圖 31 可以得出，當(dāng)水樣氨氮濃度為 50 mg/L 時，陶瓷顆粒能夠充分發(fā)揮吸附作用的最佳投加量為 9g/50mL，且能夠取得較好的吸附效果。 水樣 pH 值對陶瓷顆粒吸附去除氨氮的影響研究 在 實驗中，確定了陶瓷顆粒的最佳投加比例為 9g/50mL。因此本實驗中，分別準(zhǔn)確稱取 9 g 陶瓷顆粒加入 5 個 250 mL 錐形瓶中，同時加入 50 mL 濃度為 50 mg/L的自配水樣，使用 1 mol/L 的 HCl 和 NaOH 將水樣分別調(diào)節(jié)至 12，然后在 293 K 條件下恒溫振蕩 1 h。靜置后取上清 液過濾，過濾后分別測定氨氮含量。將所得實驗結(jié)果利用 Excel 2021 進行繪圖，結(jié)果見圖 32。 圖 31 陶瓷顆粒投加量對氨氮吸附效果的影響 21 從圖 32 可以看出，在堿性和酸性條件下陶瓷顆粒對氨氮的去除率均高于中性條件，且去除率與酸堿程度呈正比關(guān)系。這是由于在酸性和堿性條件下，陶瓷顆粒的理化性質(zhì)發(fā)生改變，造成其比表面積的增大和孔隙率的增加，從而提高了陶瓷顆粒的吸附容量，改善吸附效果。同時，堿性條件促使溶液中的銨離子向游離氨轉(zhuǎn)化進而逸出，從而使溶液中氨氮含量減少，提高氨氮去除率。由于以上作用的共同影響，造成了在酸性和堿性條件下，氨氮的去 除率高于中性條件，其吸附效果曲線呈“ V”字型。 但是由于實際操作應(yīng)用條件的限制等實際情況，選擇中性條件進行陶瓷顆粒對氨氮的吸附實驗。 接觸時間對氨氮吸附效果的影響實驗 根據(jù) 和 的實驗結(jié)果，向 6 個 250 mL 的錐形瓶中分別加入 9 g 經(jīng)過干燥的陶瓷顆粒，調(diào)節(jié) pH 值為 ，同時加入 50 mL 濃度為 50 mg/L 的自配水樣，在室溫293 K 條件下恒溫振蕩。分別在 15 min、 30 min、 60 min、 90 min、 135 min 和 180 min時測定氨氮含量，將實驗結(jié)果利用 Excel 2021 進行繪圖，結(jié)果見圖 33。 圖 32 水樣 pH 值對氨氮吸附效果的影響 22 由圖 33 可見，陶瓷顆粒對氨氮吸附的去除率隨著反應(yīng)時間的增加而增加，但在90 min 后，氨氮去除率由于陶瓷顆粒的吸附容量趨近飽和而增加不明顯。從開始到30min 這一時間段內(nèi)，吸附速率較快，其去除率由 0 增加到 %，吸附效果隨時間變化明顯； 90 min 之后，吸附速率逐漸減慢，吸附效果最時間變化逐漸平緩，直至180min，氨氮去除率不再變化，吸附達到平衡，這時氨氮的去除率為 %。 由于吸附平衡所需時間較長，故而陶瓷顆粒吸附氨氮的最佳接觸時間確定為 。此時陶瓷顆粒的吸附性能已得到充分發(fā)揮，從圖 33 可以看出此時氨氮去除率達到%。 多孔陶瓷顆粒吸附氨氮的吸附等溫線 準(zhǔn)確稱量 6組 9 g干燥后的陶瓷顆粒分別加入 6個 250 mL錐形瓶中，依次加入 50mL氨氮濃度為 10 mg/L、 20 mg/L、 40 mg/L、 60 mg/L、 80 mg/L、 120 mg/L 的自配水樣，在 293 K 條件下恒溫振蕩 2 h。靜置后取上清液過濾，濾后測定氨氮含量。得到 6 組平衡時氨氮濃度（ Ce(mg/L)）和活性炭吸附量（ Qe(μg/g)）數(shù)據(jù)（見表 ），將所得數(shù)據(jù)以平衡吸附量（ Qe）為縱坐標(biāo)，以平衡濃度（ Ce）為橫坐標(biāo)利用 Excel 2021 軟件進行繪圖，結(jié)果見 34。 初始氨氮濃度（ mg/L） 平衡氨氮濃度（ mg/L） 氨氮去除率（ %） 吸附容量（ μg/g） 10 20 40 60 80 120 圖 33 氨氮去除率隨接觸時間變化的關(guān)系曲線 表 陶瓷顆粒對氨氮的吸附等溫線計算表 23 本章 小結(jié) —— 最佳實驗條件的確定 通過 ~ 的實驗，分別研究了多孔陶瓷顆粒的投加量、 pH 值以及接觸時間對氨氮吸附效果的影響。 在陶瓷顆粒投加量對吸附效果的影響實驗中，其影響關(guān)系表現(xiàn)為氨氮去除率與投加量成正比，去除率隨著投加量的增加而增加。通過研究陶瓷顆粒對氨氮的單位吸附量與投加量的關(guān)系，得出陶瓷顆粒的最佳投加量，即每 50 mL 濃度為 50 mg/L 的氨氮廢水投加 9 g 在充分發(fā)揮其吸附性能的同時，能夠取得較好的吸附效果。因此， 9g/50mL 為陶瓷顆粒的最佳投加比例。 在水樣 pH 值對氨氮吸附效果 的影響中，氨氮去除率與 pH 值變化關(guān)系曲線呈“ V”字型。表明在酸性和堿性條件下，陶瓷顆粒被改性，從而使得其吸附容量得到提高，提高氨氮去除率。但根據(jù)實際情況以及實用性原則，選擇在中性條件下進行陶瓷顆粒的吸附處理，