摘要:對于100mL起始質量濃度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。對于起始質量濃度3.00mg/L的含氟水,方沸石球一次水處理后氟離子質量濃度低于國家標準。對于起始質量濃度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量濃度也低于國家標準。方沸石球對氟離子吸附等溫線符合Langmuir吸附等溫式,為:q_e=0.243_ce/1+0.433_ce;吸附速度符合斑厄姆公式,為:d_q/d_t=4.48×10^-3(q_e- q)/t^0.176。用過的方沸石球再生處理后活性基本恢復,多次再生后除氟效果有所下降。

關鍵詞: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。由于水資源嚴重不足,且分布不均,造成環(huán)境脆弱,制約了當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(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,但相當一部分地下水水質不好,特別是F-含量普遍為3.0 mg/L左右,局部區(qū)域高5.0mg/L,嚴重超過國家標準(國家標準≤1.0mg/L),是人畜不能飲用的苦咸水[2~4]。

采用微觀分析方法,對鄂爾多斯盆地白堊系沉積巖進行研究,首次發(fā)現(xiàn)沉積巖中普遍含有方沸石類礦物。就地取材,對方沸石巖進行提純和改性,制成多孔方沸石球,用于含氟水的處理,取得了明顯的效果,并對吸附機理進行了探討。這為盆地劣質地下水的改良提供了一條新途徑,對解決當?shù)厮Y源短缺問題,促進當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設都具有重要意義[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,用增力電動攪拌機攪拌8h,沉降60min,倒掉上層液,取下離心樣重復試驗,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　水處理工藝實驗

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。改變試驗參數(shù)(用量、靜置時間、直徑、起始質量濃度),重復水處理實驗,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　結果與討論

2.1　水處理工藝實驗

2.1.1　用量的影響

配置質量濃度3.00mg/L的F-模擬水樣,加入方沸石球,改變用量,進行水處理工藝實驗,實驗結果如表1。由表1可以看出,隨著用量的增加,方沸石球對F-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,實驗選擇1.5g為最佳用量,對起始質量濃度3.02mg/L的F-模擬水樣,處理后質量濃度降為0.85mg/L,低于國家標準。

2.1.2　靜置時間的影響

配置質量濃度3.00mg/L的F-模擬水樣,加入1.5g方沸石球,改變靜置時間,進行水處理工藝實驗,實驗結果如表2。由表2可以看出,隨著靜置時間的增加,方沸石球對F-去除率增加。靜置時間大于48h后,吸附趨于飽和,隨著時間的延長,去除率增長幅度不大。為提高工作效率,實驗選擇48h為最佳靜置時間,對起始質量濃度3.0mg/L的F-模擬水樣,處理后質量濃度降為0.86mg/L。

2.1.3　直徑的影響

配置質量濃度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,進行水處理工藝實驗,實驗結果如表3。由表3可以看出,隨著直徑的減小,方沸石球對F-去除率增加,其中直徑3mm方沸石球水處理效果最好。這是因為直徑越小,表面積越大,吸附和交換性能越強。因此,實驗選用直徑3mm的方沸石球,對起始質量濃度3.02mg/L的F-模擬水樣,處理后質量濃度降為0.85mg/L。

2.1.4　起始質量濃度的影響

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-質量濃度,進行水處理工藝實驗,實驗結果如表4。由表4可以看出,隨著起始質量濃度增加,吸附量增加,去除率下降。

由表4還可以知道,起始質量濃度小于3.00mg/L的模擬水樣,一次水處理后F-質量濃度就低于國家標準;起始質量濃度3.00~8.00mg/L的模擬水樣,兩次水處理后F-質量濃度也低于國家標準;起始質量濃度8.00~10.00mg/L的模擬水樣,三次水處理后F-質量濃度也低于國家標準。

綜合以上100mL起始質量濃度3.00mg/L含氟水的實驗研究,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。對于起始質量濃度小于3.00mg/L的含氟水,方沸石球一次水處理后氟離子質量濃度就低于國家
標準。對于起始質量濃度3.00~10.00mg/L的含氟水,經(jīng)方沸石球幾次水處理后,氟離子質量濃度也低于國家標準。

2.2　除氟機理探討

2.2.1　吸附等溫線

室溫下,固定方沸石球用量,改變F-起始質量濃度,測定吸附容量,以確定方沸石球對F-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。按最小二乘法對表4實驗數(shù)據(jù)進行線形擬合,結果發(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:相關系數(shù)R2=0.9997

2.2.2　吸附速度

吸附劑和溶質的種類不同計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,隨著時間的延長,吸附趨于平按最小二乘法對表2實驗數(shù)據(jù)進行線形擬合果發(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 ,相關系數(shù)R2=0.9990。

2.3　再生方沸石球的水處理實驗

室溫下,配置質量濃度3.00mg/L的F-模擬水樣,用10個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,進行水處理工藝實驗,用離子選擇電極法測定上清液成分,實驗結果見表5。

由表5可以看出,再生處理后,方沸石球的活性基本恢復。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。對于起始質量濃度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量濃度降到國家標準以下。方沸石球除氟具有效率高、使用方便、成本低廉的特點,這為鄂爾多斯盆地劣質地下水資源的改良開辟了一種新方法。

3　結論

a.方沸石球對F-的去除率受到用量、攪拌時間、粒度和起始質量濃度的影響。對于100mL起始質量濃度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.方沸石球對F-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。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

[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,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估與開發(fā)[J].水文地質工程地質,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,2002,35(3):1-6.

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