磷酸改性碳纖維吸附水中污染物影響因素分析

趙 云

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

隨著社會經濟的快速發展，河流湖泊等水體水質受生活污染、畜禽水產養殖污染、農田面源污染及生態破壞的影響較大[1-2]。水體中化學需氧量、氨氮、總磷3種污染物是造成水質超標的主要因子[3-4]。因此，加強水污染治理，實現“水資源”“水環境”“水生態”——“三水”統籌，系統保護和建設美麗河湖工作尤為重要[5-7]。

下文對磷酸改性后的碳纖維吸附水中化學需氧量、氨氮、總磷進行研究，考察浸漬時間、改性劑濃度和浸漬溫度對碳纖維吸附性能的影響。通過單因素試驗與正交實驗，針對不同污染物，探究出磷酸改性碳纖維吸附的最佳改性工藝[8-10]，找出一種合適的，吸附性能較優的改性方法，降低水中超標因子的濃度，使處理后的水質滿足水域排放標準，為碳纖維在水處理中的應用提供科學借鑒。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗試劑

1.1.1試劑

本文涉及的實驗原料及試劑：聚丙烯腈基碳纖維(吉林億達新材料有限公司)；鄰苯二甲酸氫鉀、氯化銨、磷酸二氫鉀、磷酸、氫氧化鉀(均為AR，天津化工股份有限公司)。

1.1.2 溶液配制方法

(1)模擬COD標準樣品(1500mg/L)母液的配制：準確稱取0.32g鄰苯二甲酸氫鉀溶于蒸餾水中，轉移至250mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至標線。

(2)模擬氨氮標準樣品(500mg/L)母液的配制：準確稱取0.48g氯化銨溶于蒸餾水中，轉移至250mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至標線。

(3)模擬總磷標準樣品(50mg/L)母液的配制：準確稱取0.22g磷酸二氫鉀溶于蒸餾水中，轉移至1000mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至標線。

(4)不同摩爾濃度的磷酸溶液配制：準確稱取85%的磷酸溶液115.30g在燒杯中稀釋，轉移至1000mL容量瓶中，使用蒸餾水稀釋至標線配成1mol/L的H3PO4溶液，分別加倍磷酸質量配制成2和4mol/L溶液。

1.2 實驗設備與檢測標準

(1)實驗設備與儀器包括：SKALAR連續流動分析儀；DHG-9053A型電熱恒溫鼓風干燥箱；F-020S超聲波清洗機；AL204電子天平；SEAL AutoAnalyzer 3連續流動分析儀；SXL-1200C型1200℃箱式實驗電爐；Typ 3704型氣泵。

(2)采用的檢測標準：COD采用重鉻酸鹽法；氨氮采用連續流動-水楊酸分光光度法；總磷采用連續流動-鉬酸銨分光光度法.

1.3 碳纖維改性方法

(1)前期準備：改性前，需要對碳纖維進行清洗。超聲波清洗是為了去除碳纖維表面的雜質，防止材料表面的雜質對實驗結果造成影響。清洗烘干后的樣品，用于后續吸附性能的測試。

(2)化學浸漬改性方法：將碳纖維放入一定濃度的磷酸溶液中，進行超聲浸漬，設定浸漬溫度和時間，到一定時間后取出碳纖維，并標記編號。

(3)后續儲存：將原料置于烘干箱中40℃干燥24h，取出裝袋。

1.4 碳纖維吸附性能計算方法

用天平稱取碳纖維原料，配制一定濃度的待吸附水樣，將碳纖維投放到水處理凈化裝置內進行吸附實驗，到達指定時間后對水進行取樣，根據各自的檢測方法，檢測含量并計算去除率。

3種污染物的去除效率，計算公式如下：

(1)

(2)

式中，η—吸附效率；co—初始濃度，mg/L；c—平衡濃度，mg/L；q—吸附量，mg/g；V—溶液體積，L；M—材料投加量，g。

2 單因素試驗結果與討論

2.1 浸漬時間對碳纖維吸附性能的影響

對碳纖維進行不同時間的浸漬，相關改性工藝參數為：改性劑磷酸溶液濃度為1mol/L；浸漬溫度40℃；浸漬時間：20、30、40min。

由圖1可知，不同浸漬時間條件下，碳纖維對污染物有不同的去除率，隨著浸漬時間由20min延長到40min，碳纖維的污染物去除率總體上呈現下降的趨勢，部分出現先下降后上升的趨勢，但去除率仍是浸漬時間為20min時最高?？赡苁窃诮n時間為20min時，磷酸已經完全腐蝕表面的孔道，使得孔隙發育，比表面積增大，介孔及微孔數量增多，若繼續延長浸漬時間，會造成碳纖維的孔壁破損，或者孔道融合甚至被破壞，孔容和比表面積減小，使得去除率下降。

圖1 不同浸漬時間對污染物去除率對比圖

2.2 磷酸濃度對碳纖維吸附性能的影響

將不同改性劑濃度對碳纖維進行改性，相關改性工藝參數為：改性劑磷酸溶液濃度分別為1、2、4mol/L，浸漬時間30min，浸漬溫度40℃。

圖2為酸改性后碳纖維在不同磷酸濃度下各污染物的去除率對比圖。當改性劑磷酸的濃度由1mol/L增大到4mol/L，3種污染物的去除率呈現先降低后增長趨勢。說明適當的磷酸濃度有助于碳纖維對污染物的去除，有可能對應的微孔及介孔的數量呈現先降低后升高的趨勢。

圖2 不同磷酸濃度對污染物去除率對比圖

2.3 浸漬溫度對碳纖維吸附性能的影響

選擇不同浸漬溫度對碳纖維進行改性，相關改性工藝參數為：改性劑磷酸溶液濃度為1mol/L，浸漬時間30min，浸漬溫度分別為20、40、60℃。酸改性后碳纖維在不同浸漬溫度下各污染物的去除率對比圖，見圖3。隨著酸改性過程中的浸漬溫度由20℃升高到60℃，3種污染物的去除率均呈現先增高后降低的趨勢，在浸漬溫度為40℃時，改性后的碳纖維對于COD、氨氮、總磷的去除率分別達到60.00%、62.45%、52.70%，相較于其他浸漬溫度，40℃時去除率最佳，單位吸附量也最大。

圖3 不同浸漬溫度對污染物去除率對比圖

3 正交實驗的結果與討論

正交實驗是一種高效快速的實驗設計方法。通過選擇不同的實驗組合，研究碳纖維不同的改性工藝，采用3因子3水平的正交方法改性碳纖維，共9個實驗。3因子3水平浸漬時間分別為：20、30、40min；酸的濃度分別為：1、2、4mol/L；浸漬溫度分別為：20、40、60℃。在多因子多水平實驗中選擇了幾個實驗點，將酸正交改性的碳纖維依次命名為：SZJ-1、SZJ-2、SZJ-3、SZJ-4、SZJ-5、SZJ-6、SZJ-7、SZJ-8、SZJ-9，詳見表1—3。

表1 正交實驗的COD吸附結果

表2 正交實驗的氨氮吸附結果

表3 正交實驗的總磷吸附結果

通過對實驗結果的極差和因子水平的分析，以碳纖維對污染物的吸附能力作為衡量吸附性能的重要指標，得出各因素對COD去除率的影響大小順序為：酸的濃度大于浸漬溫度大于浸漬時間。吸附污染物COD的最佳磷酸改性工藝組合為：浸漬時間為20min、磷酸濃度為1mol/L、浸漬溫度為20℃。各因素對氨氮去除率的影響大小順序為：浸漬時間大于酸的濃度大于浸漬溫度。吸附污染物氨氮的最佳磷酸改性工藝組合為：浸漬時間為30min、磷酸濃度為2mol/L、浸漬溫度為60℃。各因素對總磷去除率的影響大小順序為：浸漬時間大于酸的濃度大于浸漬溫度。吸附污染物總磷的最佳磷酸改性工藝組合為：浸漬時間為20min、磷酸濃度為2mol/L、浸漬溫度為40℃。

4 結論

文章主要研究了酸浸漬改性效果及不同工藝參數的影響因素，得出以下結論。

(1)碳纖維在較短時間內、較低濃度下的磷酸濃度下，可完成快速吸附，吸附性能隨著浸漬溫度的提高呈現先增大后減小的趨勢。

(2)通過正交實驗，確定了各污染物的最佳改性工藝組合。其中，吸附污染物COD、氨氮、總磷的各個指標數據，最佳浸漬時間分別為：20、30、20min；磷酸濃度分別為：1、2、2mol/L；浸漬溫度分別為：20、60、40℃，3種污染物去除率分別為：59.52%、64.23%、64.62%。

研究采用了化學改性法對碳纖維進行改性處理，采用磷酸作為改性劑，對單因素試驗與正交實驗，進行了初探。結果表明：磷酸改性的碳纖維有效地降低了水體中COD、總磷、氨氮的含量，為水污染應急控制和水生態修復等提供技術參考，具有廣闊的應用背景和顯著社會效益。未來的研究，可以結合實踐，對磷酸改性碳纖維吸附水中污染物影響結果進行驗證。