人工湿地基质对磷的吸附特性及影响因素的研究

人工湿地基质对磷的吸附特性及影响因素的研究人工湿地基质对磷的吸附特性及影响因素的研究王晓晨 2011214054

目录 • 实验背景 • 实验材料及方法 • 实验结果分析 • 基质吸附等温线 • pH值对基质吸附磷的影响 • 温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌 • 一级动力学方程 • 准二级动力学模型

实验背景 • 磷在人工湿地中的存在形式及其去除途径污水中的磷主要以溶解态和颗粒态两种形式存在，可以分为：无机磷酸盐 (H2PO4-、HPO42-、PO43-)、聚合磷酸盐和有机磷化合物三种。 • 人工湿地基质除磷作用机理人工湿地基质对污水中磷的去除是通过吸附、离子交换、鳌合作用和化学沉淀反应等多种途径实现的，其中，吸附和沉淀作用是人工湿地基质最主要的除磷方式。 • 影响人工湿地基质除磷作用的主要因素基质的理化性质，pH，温度，其他阴离子影响，水中磷浓度及水力停留时间都是影响基质除磷的重要因素。

实验材料 • 砾石资源丰富、价廉易得，是目前主要的人工湿地基质材料，本实验选取砾石作为研究基质材料。 • 干渣为炼铁废料，微孔多，比表面积大，铁、铝、钙、镁等金属氧化物的含量高，又经过高温处理，具有很高的活性，可作为人工湿地基质。

试验方法 • 基质吸附等温线实验 • 采用批量平衡法测定不同基质对溶液中磷的吸附等温线。称取8份30目基质2g，置于250mL具塞锥形瓶中，分别加入50mL由0.02M的KCI溶液配制的不同磷浓度(3、6、10、12、15、18、24、48mg/L)的KH2PO4溶液，置于恒温摇床中，以120r/min、25士1℃振荡48h，取出，过滤，测定滤液中磷浓度。

试验方法 • pH值的影响 • 称取5份30目干渣基质适量，置于250mL具塞锥形瓶中，分别加入50mL由0.02M的KCl溶液配制的磷浓度为12 mg/L的KH2PO4溶液，用1M的NaOH溶液和10%的盐酸将溶液pH值分别调至6、7、8、9、10。置于恒温摇床中，以120r/min、25士1℃振荡48h，取出，过滤，测定滤液中磷浓度。

试验方法 • 温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌 • 称取60目基质适量，置于250mL的具塞锥形瓶中，加入50mL由0.02M的KCI溶液配制的磷浓度为24mg/L的KH2PO4溶液，在恒温摇床中，以120r/min、25士1℃振荡，一定时间间隔（10h）后取出，在4500r/min下离心3min，测定上清液中磷浓度的变化。改变温度(5℃、15℃、25℃和35℃)进行对比试验。

实验结果分析——基质吸附等温线 吸附量计算式中 q为吸附量mgP/Kg； C0为初始磷浓度mg/L； CI为滤液磷浓度mg/L。

实验结果分析——基质吸附等温线

实验结果分析——基质吸附等温线 • Freundlich吸附等温线 Freundlich方程是一个经验关系式砾石干渣

实验结果分析——基质吸附等温线 • Langmuir方程 • 线性化

实验结果分析——基质吸附等温线 砾石干渣

实验结果分析——基质吸附等温线 基质对磷的吸附等温方程及其相关参数 1.kLqm为缓冲容量，反映固液体系吸附溶质时的缓冲能力。 2.Langmuir方程中，kL值一定程度上可以反映基质吸附磷的能级，代表基质与磷之间的结合能，kL值越大，基质与磷之间的结合就越稳定。 3.在 Freundlich方程中，n可以粗略地表示基质对磷的吸附强度。可以看出，不同基质之间，n值变化不大，基本在2-2.5之间。kf值反映了基质吸附磷能力的大小，kf值越大，表明基质对磷的吸附能力越强。

实验结果分析—— pH值对基质吸附磷的影响 不同pH条件下两种基质对磷的吸附实验结果如表所示

实验结果分析—— pH值对基质吸附磷的影响

实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌

实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌由于25℃和35℃时，20h后吸附趋于平衡，去除率基本保持不变，故支取前5个数据值求做一级动力学方程。由一级动力学方程的微分表达式：边界条件：t=0，c=c0；t=t，c=ct；得到相应的积分式为：

实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌一级动力学模型还可反映吸附量与时间的关系，其微分表达式为：边界条件：t=0，q=0；t=t，q=q；得到相应的积分式为：可求得qe。将干渣的吸附除磷效率带入方程，得：

实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌当时，所需要的吸附时间由图读出k，并计算，结果见下表。是吸附剂吸附速率的量度，能够准确地反映各种因素对吸附速率的影响情况。总体上看，随着系统温度的升高，逐渐减小。表明，提高系统温度，干渣的吸附除磷速率加快，达到相同除磷效率所需的时间缩短。

实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌干渣吸附一级动力学速率常数逐渐增大，表明，温度越高，吸附作用进行的越快。根据Arrhenius公式：式中，k为吸附速率常数，Ea为吸附活化能(kJ/mol)，A为常数。以Lnk对1/T作图：相关系数为0.9588，由直线的斜率求出干渣对磷的吸附活化能Ea=65.69kJ/mol。表明，干渣对磷的吸附是物理吸附和化学吸附的共同作用。

实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌近年来，Mahmut和Bruno Kostura等人先后利用准二级动力学模型考察了明矾石和高炉渣对水溶液中磷的等温吸附动力学过程，发现，准二级动力学模型能够较好地反映基质对溶液中磷的吸附动力学行为。准二级反应动力学模型，其微分表达式为：边界条件q0=0，t0=0；qt=qt，t=t，得到相应的积分式为：化为线性表达式为：

实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌实验结果分析——温度对干渣基质吸附除磷动力学的影晌 v=qt/t为基质对磷的吸附速率(mg/kgh)，在吸附初始阶段，即t=0时，吸附速率最大为vmax=k2qe2。 qe,exp为反应50h时的吸附量由准二级动力学方程计算出不同条件下干渣对磷的平衡吸附量qe，与试验值qe.exp相比较，总体上看，误差不大。但在5℃和15℃条件下，相对误差很大，这是因为：在低温条件下，吸附作用进行的较为缓慢，在作用50h后仍未达到平衡。

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