硫酸铁改性珍珠岩微粉的磷吸附特性

付登强，杨伟波，刘小玉，余凤玉

(中国热带农业科学院 椰子研究所，海南 文昌 571339)

珍珠岩微粉是膨胀珍珠岩生产过程中产生的一种超细白色粉末，是制备膨胀珍珠岩颗粒的副产物，具有无毒、无味、不燃烧、耐酸碱的特点。急速高温膨胀赋予了珍珠岩微粉大量微孔和巨大的比表面积，通过表面改性开辟新的用途一直是珍珠岩材料研究的重要方向[1-5]。高磷污水的处理一般要先经过化学沉淀，硫酸铁是常用的低成本除磷剂之一，但当投加硫酸铁过量时，会造成出水含铁离子而水色发黄，其溶液对设备和管道的腐蚀性也较强。利用热处理技术将硫酸铁固载于珍珠岩微粉表面可制备一种廉价的新型除磷剂，其磷吸附特性决定其在高磷污水处理中的应用前景。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

供试膨胀珍珠岩微粉(微粉)、改性膨胀珍珠岩微粉(改性微粉)样品均由海南蓝箭轻型建材贸易有限公司提供；供试污水，采自文昌市某污水处理厂(污水样品经慢速滤纸过滤后备用，钼锑抗比色法测定其含磷量为(0.22±0.02)mg/L，pH值为7.2±0.1，电导率为(367±11)μs/cm)。

梅特勒-托利多FE20 pH计；精科752N紫外可见光分光光度计；赛福BHWY-1102C变频摇床。

1.2 实验方法

1.2.1 吸附时间对磷吸附量的影响 称取0.50 g改性微粉样品于50 mL离心管中，加入20 mL磷浓度为100 mg/L的磷酸二氢钾溶液，加甲苯2滴防止微生物生长，在25 ℃恒温室中分别振荡10 min和24 h，用慢速滤纸过滤，钼锑抗比色法测定滤液磷浓度，重复1次。

1.2.2 溶液pH值对磷吸附量的影响 称取0.50 g改性微粉样品7份于带刻度的50 mL离心管中，分别加入10 mL磷浓度为200 mg/L的磷酸二氢钾溶液和5 mL蒸馏水，用稀氢氧化钠溶液或稀盐酸调节溶液pH值到3.0，4.0，5.0，6.0，8.0，10.0，12.0后用蒸馏水定容到20 mL，加甲苯2滴防止微生物生长，在25 ℃恒温室中振荡24 h，用慢速滤纸过滤，钼锑抗比色法测定滤液磷浓度，重复1次。

1.2.3 微粉添加量对磷吸附的影响 分别称取0.10，0.20，0.40，0.60，0.80，1.00 g改性微粉样品于50 mL离心管中，分别加入20 mL磷浓度为100 mg/L的磷酸二氢钾溶液，加甲苯2滴防止微生物生长，在25 ℃恒温室中振荡24 h，用慢速滤纸过滤，钼锑抗比色法测定滤液磷浓度，重复1次。

1.2.4 磷吸附与解吸等温线测定 分别称取0.50 g微粉和改性微粉样品于50 mL离心管中，分别加入20 mL磷浓度为0，5，10，20，40，60，80，100 mg/L的磷酸二氢钾溶液，加甲苯2滴防止微生物生长，在25 ℃恒温室中振荡24 h，用慢速滤纸过滤，收集滤液用钼锑抗比色法测定磷浓度。然后，用10 mL蒸馏水清洗离心管并用于淋洗滤纸上的样品，再用20 mL蒸馏水分2次淋洗样品和滤纸，80 ℃烘干后将样品再次转入50 mL离心管中，加入20 mL蒸馏水，加甲苯2滴防止微生物生长，在25 ℃恒温室中振荡24 h，用慢速滤纸过滤，收集滤液用钼锑抗比色法测定磷浓度。重复1次。

1.2.5 改性微粉去除模拟高磷污水中的磷 通过添加磷酸二氢钾调节污水样品的磷浓度为0.2，50.0，100.0，200.0 mg/L，加入25 g/L改性微粉和适量甲苯，在25 ℃恒温室中振荡24 h，用慢速滤纸过滤，钼锑抗比色法测定滤液磷浓度，重复1次。

2 结果与讨论

2.1 吸附时间对吸附量的影响

振荡吸附10 min和24 h后，平衡液的磷浓度分别为(6.49±0.17)mg/L和(6.30±0.14)mg/L，溶液磷去除率分别为93.51%和93.70%，改性微粉磷吸附量分别为(3.740±0.007)mg/g和(3.748±0.006)mg/g，振荡吸附10 min比24 h的磷吸附量略少，但差异不显著。

2.2 溶液pH值对磷吸附量的影响

不同pH值条件对改性微粉磷吸附的影响见图1。

图1 不同pH值对改性微粉磷吸附的影响Fig.1 The effects of different pH on P adsorption by modified expanded perlite powder

由图1可知，溶液pH值显著影响改性微粉对磷的吸附，在3～12的范围内，随pH值的增加，改性微粉对磷的吸附量先增加后降低，酸性条件下磷容易被改性微粉吸附。当溶液pH值为5.0时，改性微粉磷吸附量最大，为3.96 mg/g，此时溶液中的磷去除率达98.68%。

污水的pH是影响除磷效率的重要因素。本研究中，改性微粉在pH为3～6的范围内对磷的去除率均较高，最适pH为5.0。邢伟等[6]认为硫酸铁等铁盐除磷的原理是Fe3+与水形成的多核羟基络合物能吸附大量的磷酸根，并有效地降低或消除水体中胶体的ξ电位，使胶体凝聚，再通过沉淀分离将磷去除，Fe3+除磷最适宜的pH为4.5～5。张亚勤[7]认为pH值为5.5左右时磷酸铁的溶解度最小，是铁盐除磷的适宜条件。董文艺[8]研究了硫酸铁等7种药剂在不同pH条件下对生活污水的化学除磷效果，当pH为4.0时硫酸铁的除磷效果最好。赵辉等[9]的研究结果则为污水初始pH为9时，硫酸铁的除磷效率最高。由于污水成分存在差异，硫酸铁除磷实际生成物的成分复杂，适宜的pH范围存在差异，在具体应用中需要测试确定。

2.3 微粉添加量对磷吸附的影响

不同添加量对改性微粉磷吸附的影响见图2。

图2 不同添加量对改性微粉磷吸附的影响Fig.2 The effects of different pH on P adsorption by modified expanded perlite powder

由图2可知，随着改性微粉投加量的增加，溶液磷去除率会出现一最高值，而后稍有下降。

2.4 改性微粉的磷吸附解吸等温线

图3是微粉和改性微粉25 ℃条件下的磷吸附等温线。

图3 磷吸附等温线Fig.3 The phosphorus adsorption isotherm

由图3可知，微粉的吸附等温线呈直线型，磷吸附量随溶液磷浓度的增加缓慢提高。改性微粉的吸附等温线与Langmuir单表面方程曲线比较吻合。微粉经过改性后的磷吸附能力显著增加。

图4为微粉与改性微粉的磷解吸曲线。

图4 磷吸附解吸曲线Fig.4 The phosphorus adsorption and desorption curve

由图4可知，随磷吸附量的增加，微粉和改性微粉的磷解吸量均逐渐增加，微粉的平均解吸率为37.0%，改性微粉的平均解吸率为0.74%，在相同吸附量情况下，微粉的解吸量远远高于改性微粉的解吸量，改性微粉对磷的固定能力较强。

2.5 改性微粉去除模拟污水中的磷

改性微粉对不同磷浓度模拟污水磷去除的效果见图5。

图5 改性微粉去除模拟污水中的磷Fig.5 The phosphorus removal from simulated sewage by modified perlite powder

由图5可知，当磷浓度为50 mg/L时，改性微粉磷去除率达99.29%，污水残磷浓度为0.35 mg/L，含磷量符合国家城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918)的一级A类排放标准(≤0.5 mg/L)。

赵艳锋等[10]利用铁尾矿的酸浸液对硅藻土进行改性，20 min为吸附平衡时间，对于50 mL 5 mg/L的含磷废水，改性硅藻土投加量1.2 g，磷去除率可达81.08%。铁尾矿的酸浸液可以替代硫酸铁进行珍珠岩微粉改性制备污水除磷剂，将有助于进一步降低生产成本。

3 结论

(1)酸性条件下，硫酸铁热改性珍珠岩微粉的吸附能力较强，pH值为5.0时吸附量(3.96 mg/g)最大。

(2)硫酸铁热改性珍珠岩微粉对溶液磷的吸附速率快，充分搅拌10 min即可完成吸附。

(3)模拟污水磷浓度为50 mg/L时，添加25 g/L 改性微粉的磷去除率达99.3%，污水残磷浓度为0.35 mg/L，含磷量符合国家城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918)的一级A类排放标准(≤0.5 mg/L)。

(4)硫酸铁热改性珍珠岩微粉在酸性、高磷废水的快速除磷处理中具有一定的应用潜力。