Zr-CTAB联合改性皇竹草活性炭吸附氮磷的性能研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0928

摘要/Abstract

摘要：

以皇竹草为原料制备活性炭（PAC），采用氯氧化锆（ZrOCl₂·8H₂O）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对其联合改性，制备出复合材料Zr-CTAB-PAC，探讨了吸附剂投加量、接触时间、pH、磷酸盐和硝酸盐初始浓度等因素对Zr-CTAB-PAC吸附水中硝酸盐及磷酸盐性能的影响。结果显示，Zr-CTAB-PAC是一种比表面积大、含有多种含氧官能团的材料，可同时吸附水中的硝酸盐及磷酸盐。在pH为5~9、Zr-CTAB-PAC用量为0.3 g、初始磷酸盐和硝酸盐质量浓度分别为15 mg/L和30 mg/L、接触时间为120 min时，Zr-CTAB-PAC对磷酸盐和硝酸盐的最大吸附量分别为3.090 mg/g和2.911 mg/g。此外，Zr-CTAB-PAC对磷酸盐和硝酸盐的吸附均符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温线。Zr-CTAB-PAC对磷酸盐和硝酸盐的吸附机理主要是静电吸附和离子交换。

关键词: 皇竹草, 活性炭, 同时吸附, 硝酸盐, 磷酸盐

Abstract:

Activated carbon（PAC） was prepared from Pennisetum hydridum. Zirconium oxychloride（ZrOCl₂·8H₂O） and cetyltrimethylammonium bromide（CTAB） were combined to modify PAC to prepare composite Zr-CTAB-PAC. The effects of Zr-CTAB-PAC dosage，contact time，pH，initial concentration of phosphate and nitrate on the adsorption properties of nitrate and phosphate in water were discussed. The results showed that Zr-CTAB-PAC was a kind of material with large specific surface area and containing a variety of oxygen-containing functional groups，which could adsorb nitrate and phosphate in water simultaneously. The maximum adsorption capacity of Zr-CTAB-PAC for nitrate and phosphate were 3.090 mg/g and 2.911 mg/g，respectively，under the condition of pH 5-9，the dosage of Zr-TAB-PAC 0.3 g，the initial mass concentration of phosphate and nitrate 15 mg/L and 30 mg/L，and the contact time 120 min. In addition，the adsorption of Zr-CTAB-PAC fitted the pseudo-second-order kinetic model and Langmuir adsorption isotherm. The adsorption mechanism of phosphate and nitrate by Zr-CTAB-PAC was mainly electrostatic adsorption and ion exchange.

Key words: Pennisetum hydridum, activated carbon, simultaneous sorption, nitrate, phosphate

中图分类号:

O647.3

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I6/151

图/表 13

图1 PAC和Zr-CTAB-PAC的SEM

Fig. 1 SEM of PAC and Zr-CTAB-PAC

图2 Zr-CTAB-PAC的能谱

Fig. 2 EDAX of Zr-CTAB-PAC

表1 XRF测定不同活性炭材料的化学成分 (%)

Table 1 Chemical composition of different ACs determined by XRF

元素	PAC	Zr-PAC	Zr-PAC（H₂O）	CTAB-PAC	CTAB-PAC（H₂O）
Br	0.02	—	—	12.36	12.05
Zr	0.02	22.12	17.31	—	—
K	59.41	10.16	24.54	26.48	18.57
Ca	14.90	16.34	12.73	24.02	29.28
Si	12.90	17.89	17.05	28.57	32.73
Cl	9.19	0.42	15.33	2.18	0.66
Fe	1.63	0.79	1.24	1.24	2.14
P	1.63	27.80	15.33	1.00	1.22
Mn	0.68	0.31	0.29	0.43	0.68
其他	0.71	2.14	1.71	0.95	0.73

表2 PAC和Zr-CTAB-PAC的BET结果

Table 2 BET results of PAC and Zr-CTAB-PAC

样品	比表面积/（m²·g^-1）	平均孔径/nm	孔体积/（cm³·g^-1）
PAC	292.8	0.51	0.170 5
Zr-CTAB-PAC	16.11	1.16	0.010 89

图3 PAC、Zr-CTAB-PAC的FTIR谱图

Fig. 3 FT-IR spectra of PAC and Zr-CTAB-PAC

图4 不同吸附剂对氮磷去除率的影响

Fig. 4 The effect of different adsorbents on removal rate of nitrogen and phosphorus

图5 吸附剂用量对氮磷去除率的影响

Fig. 5 Effect of adsorbent dosage on removal rate of nitrogen and phosphorus

图6 吸附时间对氮磷去除率的影响

Fig. 6 The effect of adsorption time on removal rate of nitrogen and phosphorus

图7 溶液pH对氮磷去除率的影响

Fig. 7 The effect of solution pH on removal rate of nitrogen and phosphorus

图8 初始浓度对去除率的影响

Fig. 8 The effect of the initial concentration on the removal rate

表3 准一级和准二级动力学拟合参数

Table 3 Quasi-first-order and quasi-second-order kinetic fitting parameters

项目	c ₀/（mg·L^-1）	q _e测/（mg·g^-1）	准一级动力学			准二级动力学
项目	c ₀/（mg·L^-1）	q _e测/（mg·g^-1）	q _e/（mg·g^-1）	k ₁/min^-1	R ²	q _e/（mg·g^-1）	k ₂/（g·mg^-1·min^-1）	R ²
硝酸盐	15	2.607	0.852 1	0.000 15	0.156 2	1.710	0.064 41	0.999 9
	30	2.979	0.015 39	0.004 38	0.308 3	2.806	0.598 9	0.999 7
	45	2.882	0.346 3	0.032 59	0.944 3	2.900	0.004 941	0.999 8
磷酸盐	15	1.644	0.374 7	0.023 22	0.529 7	1.207	0.200 0	0.899 8
	25	1.583	1.120 0	0.034 33	0.833 0	1.602	0.208 5	0.998 1
	35	2.607	9.007	0.008 21	0.911 3	2.735	0.050 49	0.996 3

表4 Zr-CTAB-PAC对磷酸盐/硝酸盐的等温吸附模型

Table 4 Phosphate/nitrate isotherm adsorption model by Zr-CTAB-PAC

项目	Langmuir			Freundlich
项目	q _max（mg·g^-1）	K _L/（L·mg^-1）	R ²	K _f	1/n	R ²
磷酸盐	3.090	0.756 3	0.998 7	6.396	0.264 8	0.993 7
硝酸盐	2.911	0.595 8	0.999 9	6.998	0.309 7	0.992 4

图9 Zr-CTAB-PAC对磷酸盐和硝酸盐吸附机理

Fig. 9 Mechanism for phosphate and nitrate adsorbed by Zr-CTAB-PAC

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