泥沙吸附磷的等温分析方法优化

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：据此得到实验条件下泥沙吸附磷的Langmuir等温式（图2），该等温式表示处于吸附平衡状态的水沙体系中，单位质量泥沙吸附量与水体溶解磷浓度的关系。本次实验结果表明，泥沙吸附磷反应的可逆性低，不同泥沙含量对应不同的吸附等温式。图3反映含沙量影响的Langmuir吸附等温式计算值与实验测定值的比较

设天然环境中结合在泥沙上的磷含量为Cs0，实验用水的磷浓度为C 0，实验开始前外加磷浓度为Ca，吸附达到平衡时溶液的磷浓度为C w1，吸附平衡时泥沙吸附的磷含量为Cs，S为实验的泥沙含量，V为实验水体体积，根据质量守恒原理得到：

由此可以得到吸附平衡时泥沙的吸附量为：

根据实验数据，采用该式可以得到吸附平衡时的泥沙吸附量。

Langmuir吸附等温式适用于多种吸附过程，对于泥沙吸附磷也得到了广泛采用［3～7］：

式中：Cs为吸附平衡时单位质量泥沙的吸附量，mg/g；C w为平衡状态下水体浓度，mg/L；b为吸附达到饱和时泥沙的最大吸附量，mg/g；k为具有浓度单位，mg/L的经验系数，相当于吸附量达到饱和吸附量一半时的水相平衡浓度。

吸附达到平衡时结合在泥沙上的磷与溶解在水体中磷的分配关系，结合在泥沙上的磷总量称为表观吸附量［7］，对式（3）进行变换后得到：

因此与C w为线性关系，线性关系式的斜率为1/b，截距为k/b，采用实验数据进行相关分析，得到关系式中的系数k和b。表1列出了通过相关分析得到的Langmuir吸附等温式参数，结果显示相关系数的假设检验p值都小于0.001，说明不同泥沙含量条件下泥沙对磷的吸附量与水体磷浓度与Langmuir吸附等温式符合程度较好。

据此得到实验条件下泥沙吸附磷的Langmuir等温式（图2），该等温式表示处于吸附平衡状态的水沙体系中，单位质量泥沙吸附量与水体溶解磷浓度的关系。

表1　Langmuir吸附等温式的参数及相关系数

图2　Langmuir吸附等温式实验数据及其拟合

值得注意的是，四种泥沙含量分别得到了四个不同的等温式，并且差别还比较明显。由于本次进行的平衡吸附实验是在48小时之后测量清水浓度，通过吸附初始与平衡的质量平衡关系推求泥沙吸附量，因此实验数据在基本趋势上是可靠的。相关研究成果中也揭示了这种现象［3，8，9］，在固体颗粒物对于Zn和Cd的吸附实验中，Cd的等温线几乎不随固体颗粒物浓度发生变化，而不同固体颗粒物浓度条件下Zn的吸附等温线存在显著差别。Pan等认为，吸附等温线是否随吸附剂浓度变化可以表明吸附的可逆性，如果吸附等温线随吸附剂浓度发生明显变化，则吸附反应可逆性低，反之吸附反应的可逆性高［8，9］。本次实验结果表明，泥沙吸附磷反应的可逆性低，不同泥沙含量对应不同的吸附等温式。

在典型的Langmuir吸附等温式基础上，考虑吸附过程中泥沙含量的作用，可以对不同含沙量条件下磷在水固两相之间的分配关系进行定量分析，从而建立反映固体浓度影响的Langmuir等温式［8，9］：

采用实验数据对式（5）中的参数进行了分析，得到：

根据式（6）计算得到的吸附量与实验测定值的对比见图3，计算值与实测值之间的平均误差为7.7%，因此在实验包括的含沙量范围内（0.5～2.0kg/m3），可以采用该式对不同含沙量条件下溶解态磷与吸附态磷的关系进行描述。

图3　反映含沙量影响的Langmuir吸附等温式计算值与实验测定值的比较

泥沙吸附磷的等温分析方法优化

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