1、重慶科技學院學生畢業設計（論文）外 文 譯 文學 院 冶金與材料工程學院 專業班級 冶金2009-04 學生姓名 施 政 學 號 2009440479 譯 文 要 求1. 外文翻譯必須使用簽字筆，手工工整書寫，或用A4紙打印。2. 所選的原文不少于10000印刷字符，其內容必須與課題或專業方向緊密相關，由指導教師提供，并注明詳細出處。3. 外文翻譯書文本后附原文（或復印件）。文獻出處：Journal of Hazardous Materials 165 (2009) 11931199赤泥對含磷廢水除磷的正交實驗研究趙穎，王俊，欒兆坤*通訊作者。電話：+86 1062849150傳真：+86 1

2、062849198。E-mail地址：zhao ying005（趙穎），Luanzk（欒兆坤）。，彭咸嘉，梁鎮，施禮環境水化學國家重點實驗室，生態環境研究中心，中國科學院，郵政信箱2871，北京100085，中國摘 要：采用23完全正交實驗研究了赤泥對水溶液中磷的吸附。對磷的濃度、溶液的初始pH（pHi）和赤泥用量對于磷的去除效率和最終溶液的pH值（pHf）的影響進行了研究。考察了單個變量和因變量的相互作用對除磷效率和pHf的影響。研究結果表明，當反應條件初始磷濃度為25mg l1，赤泥劑量為1.5g l1，pHi值為3.0時，除磷效率和pHf達到最佳值，分別為97.6%和10.9。當有足夠量

3、的鈣離子和最終pH值大于9是廢水脫磷的最佳條件。關鍵詞：除磷；赤泥；吸附；正交實驗1 引言廢水中的磷對于進行光合作用的藻類和其他水生物本身的成長是一種必需的營養素。但是，過量磷濃度的污水排放可能導致水體富營養化1。水體富營養化主要是通過氧氣耗盡的藻類腐爛擾亂水中生物的平衡和影響水的質量。減少氧氣含量影響了魚類和其他水生生物、微生物及昆蟲增長，因為它會導致自然度假村退化。因此，在家庭和工業排放中必須使用污水處理技術控制磷的含量。在污水處理工藝中，已開發了很多方法用于除磷2，包括物理法3，化學法4和生物法5。物理方法被證明是要么是太昂貴的電滲析和反滲透3，要么低效率的，除磷率只能達到10% 4。強

4、化生物處理總共能去除高達97%的磷，而且它是低成本的。但是廢水的化學組成和溫度的變化使執行此過程變成了不可行的廢水處理。化學去除技術是最近最行之有效的方法。石灰、硫酸鋁、氯化鐵是用于除磷常見的沉淀劑2。然而，成本與使用的金屬的鹽和污泥產量可能阻礙了廣泛的應用6。因此，除磷的替代技術正在開發中。最近，注意力已經集中在磷吸附劑，因為它最經濟和最適用的吸附。已經利用粉煤灰5,7,15、鋁氧化物8-10、鐵的氧化物11-14、礦渣16,17、赤泥18,19、硅酸鹽20,21、活性炭22和氣混凝土23獲得了成功的結果。赤泥是在拜耳法中用堿性浸出鋁土礦過程中的殘留物。生產一噸的氧化鋁大約有1-2噸的紅色泥

5、渣24。近年來，每年在中國必須處理的燒堿赤泥約10-20萬噸 25。自建廠以來，赤泥經過多年積累，由于其高堿度和量大導致了嚴重的環境問題。很多人都在研究廢水中赤泥的應用而且赤泥已經被發現用以除去氟26、鉻27、六價鉻28、染料29、重金屬30、磷酸水溶液5,31。對于高百分比的鈣、鋁、鐵，赤泥作為一種經濟的吸附劑用于大規模使用是一個很好的候選。在這項研究中，磷是用赤泥去除的。這個主要原因之一就是使用赤泥比使用其他化學處理除磷的優勢是赤泥的豐富性和其容易獲得。許多先前的研究表明，磷酸鹽沉淀主要是鈣磷灰石，尤其是羥基磷灰石（HAP）。因為HAP形成的程度是嚴重依賴過飽和度，pH值和初始磷濃度等因素

6、32,33，所以有必要研究赤泥用量、溶液的初始pH（pHi）和磷濃度的影響，這些都最終直接影響到HAP形成的pH值（pHf）。本研究旨在探討赤泥對磷去除效果的影響。利用實驗設計方法對磷濃度、溶液的初始pH（pHi）和赤泥用量等對磷的去除效率進行了研究。使用23正交實驗的方法對考慮的參數主要的影響和它們之間的相互作用進行了研究。2原料和方法2.1原料 本研究中所用的赤泥是從中國山東鋁業公司得到。在一批實驗進行之前，赤泥首先要被過篩并且顆粒小于100目的被保留作進一步考慮在試驗中沒有任何進一步的處理。赤泥的平均化學組合物列于表1。此表顯示，赤泥主要是Ca、Si、Fe和Al的氧化物的混合物，并且Ca

7、O的含量是最高的。單點N2-BET法表明，一個典型的赤泥樣品的比表面積大約是14.76平方米/克。在實驗中所用的標準的磷溶液是從1g P l-1無水磷酸二氫鉀的儲備液制備的。磷的測定是根據APHA標準方法使用HACHDR/4000U分光光度計用抗壞血酸測定酸的方法測定的34。 pH計（奧立龍）是用于測量在實驗中溶劑的pH值，和用稀HCl和NaOH來調整溶液的pH值。本研究所使用的這些化學物質是分析試劑級或更好，所有的實驗都要重復進行再取平均值用于分析。表1 所使用赤泥的平均組成（重量）成分組成% (w/w)SiO218.08Fe2O315.30Al2O38.26CaO38.02MgO1.63N

8、a2O3.55K2O0.36TiO24.512.2實驗過程為了確定赤泥的除磷效果及對pHf的影響，我們批次進行實驗。實驗過程如下：一定體積的濃度為1g P l-1 PO43-的磷酸原液通過添加非常低的硬度的自來水稀釋至實驗濃度。然后將溶液的pH值調整到所需的值，再在溶液中加入一定量的吸附劑。在室溫（20±1）下用200轉速度攪拌該混合物4小時，其中每個正交實驗的因子都要在相同的實驗條件下進行。根據以往的研究，將懸浮液進行攪拌4小時有足夠的時間以達到平衡5。等到平衡后，將樣品進行離心分離和把磷的上清液進行分析。溶液的pHf也要被測量。赤泥吸附前后是通過X射線衍射（XRD）確定的。分析是

9、在室溫下用一個掃描速度范圍為0.2°的S-1 Cu K輻射的Rikaku TTRIII衍射儀進行的。XRD圖譜2范圍為10-90。3結果與討論3.1初始pH值對除磷的影響 對于用吸附法從水溶液中除磷，pH值被認為是一個重要的參數。對含1.5 g·l-1赤泥的方案進行了調整，以不同pH值范圍從1.0至11.0。pHi在除磷的影響百分比和pHf示于圖1（a）和（b）。可以看出如圖1所示，除磷效果嚴格增加隨著pHi增大到3.0，增大到3.0以后可以觀察到減少。最大效率地除磷發生在pHi為3.0。據觀察當pHi值3.0時溶液pHf的值測定為11.3、9.1和7.3，25 mg

10、83;l-1、50 mg·l-1和100mg·l-1的磷濃度分別有相應的除磷效率的百分比為87.1%、71.8%、和61.4%。除磷效率（%）pHf圖1 初始pH值對除磷（a）和pHf（b）的影響（赤泥用量為1 g l1）表2 溶液中剩余的Ca2 +濃度（mg l-1）和用濃度為50mg l-1磷酸平衡后除磷效率（）pHi赤泥用量(g l1)0.250.51.03.0Ca2+pHf去除效率Ca2+pHf去除效率Ca2+pHf去除效率Ca2+pHf去除效率1.057.91.25.2131.31.310.4227.11.322.5308.75.443.63.045.97.012

11、.843.57.830.531.89.171.838.110.978.35.021.28.56.518.99.917.513.810.253.58.011.264.9pH值對于加上赤泥的CaO的量是一個重要因素，尤其是在有高濃度氫離子的強酸性介質中35。留在溶液中Ca2+濃度受pHi的影響和除磷效率在表2中都給出了。該表顯示，不同赤泥劑量下溶液中Ca2+濃度均隨著pHi的增多而減少。在pHi值為1.0時有大量Ca2+被釋放到溶液中，但由于pHi太低，pHf可能也會太低以至于不能形成不溶性的磷酸鹽化合物。當pHi值為5.0時，pHf是足夠高可以形成不溶性的磷酸鹽化合物，但鈣離子釋放到溶液的量低，

12、所以由于溶液中的鈣離子不足而使除磷效率更低。因此，最高的除磷效率能夠在當pHi為3.0時實現。強度（a.u） 2波（度）圖2 用赤泥吸附前（A）和吸附后（B）的X射線衍射圖，鈣的磷酸鹽沉淀有（P）標記從圖2中可以看出，赤泥反應前后都被X射線衍射檢查，X射線衍射結果表明鈣的磷酸鹽沉淀是磷灰石。赤泥中Fe2O3在除磷（如磷酸鐵）過程中可能是一個重要的因素。然而，在本文中的赤泥中相比氧化鐵（15.30%）來說含有更多的鈣（38.02%），赤泥中的氧化鈣在除磷過程中扮演著重要的角色。此外，文中主要介紹了利用赤泥與鈣磷灰石沉淀除磷的機制。因此，本文不考慮Fe2O3在赤泥除磷過程中的影響。3.2吸附劑用量

13、的影響當pHi值為3.0時，赤泥劑量對從水溶液中除磷的影響示于圖3中。初始磷濃度從10 mgl-1變化到100 mgl-1。很明顯，對于一個給定的初始磷濃度，除磷效率是隨著赤泥劑量的增加而增加。由于初始磷濃度的增加，需要在赤泥中加更多的水以至于增加pHf使其適合用于形成不溶性的磷酸鹽化合物。對于一個給定的赤泥用量，pHf的值隨著磷濃度的增加而降低。正磷酸鹽化合物pH值的變化可以解釋這一點。當pH值為3.0時，H3PO4和H2PO4-是主要的水性物種。在相同的pH值下，HPO42-和PO43-也可以存在，但通常濃度要小于H3PO4和H2 PO4-。赤泥不會使溶液的pH值增加太多而使酸性的磷酸鹽化

14、合物轉化成堿性。因此，需要增加更多的赤泥以使pH值達到適當的值從而取得令人滿意的除磷效率。除磷效率（%）赤泥劑量（g l-1）圖3 赤泥劑量對除磷效果的影響（pHi=3.0）除磷效率（%）初始磷濃度（mg l-1）圖4 初始磷濃度對除磷效果的影響（pHi=3.0）3.3初始磷濃度的影響圖4給出了當pHi值為3.0時赤泥的除磷效率與初始磷濃度的函數。如圖4中所示，對于一定的赤泥劑量，除磷效率隨著初始的磷濃度的增加而降低。這個結果預計是由于磷酸鹽化合物的緩沖性能和上節所討論的在溶液中的鈣離子不足所導致的。3.4磷與赤泥質量之比的影響從上一節中，可以發現赤泥用量和初始磷濃度對于除磷效率都是有一定影響

15、的。因此，赤泥用量和初始磷濃度應該被一起考慮來研究除磷效率。磷與赤泥之比對于除磷效率和pHf的影響分別示于圖5(a)和(b)中。最終的pH值和除磷效率之間的關系示于圖5(C)中。從圖5(b)中可以看出，pHf隨著磷與赤泥比的增加而嚴格減少。正如前面所討論的，足夠量的鈣離子和pH大于9是除磷效率高的必要條件。因此，除磷效率的下降是由于鈣離子量低和pHf值小。結果發現，pH值為9是形成羥基磷灰石的一個臨界值33。在Ca2+量減少而且磷與赤泥之比高達20時，磷的去除效率降低。在高磷和低pHi情況下，需要更多的赤泥被添加到水中才能達到令人滿意的除磷效果。除磷效率（%）磷與赤泥質量之比（mg g-1）p

16、Hf磷與赤泥質量之比（mg g-1）除磷效率（%）pHf圖5 磷與赤泥質量之比對于除磷效率（a）和pHf（b）的影響以及最終的pH值和去除效率之間的關系（c）3.5正交實驗一個23完全正交實驗（三個因素，在兩個水平上）要作重要性評估和pHi、赤泥用量和初始磷濃度之間的相互作用。在這項研究中的反應變量是磷的去除效率和pHf。在這項工作中標記的因素從來沒有同時使用正交實驗進行研究，在以前每次實驗程序中使用的一個變量都選擇自己的角色。所有的結果用最小二乘法以隨機順序來執行以正確評價實驗誤差。這三個變量的矩陣是在兩個層面（+1，-1）上變化。更高層次的變量被設計為“+”而下部水平被設計為“ - ”。在

17、本研究中為了表示的方便，選擇的因素的值都設計在表3中。這個正交實驗對于組合A，B和C所有可能的測試結果有8個。除磷效率（Y1）和pHf（Y2）的每一個測定的測試結果列于表4中。表3 23正交實驗中所使用的因素和水平因素低水平 (1)高水平 (+1)磷酸根濃度, A (mg l-1 )2550赤泥用量, B (g l-1)0.251.5pHi, C3.07.0表4 除磷效率和pHf的實驗設計矩陣和結果運行編號因素Y1Y2ABC1-1-1-115.27.421-1-18.86.93-11-197.610.9411-165.08.95-1-116.09.561-113.07.87-11190.112

18、.0811155.010.6選擇相互作用的一階模型以符合表4中的實驗數據：Y = b0 + b1A + b2B + b3C + b12AB + b123ABC (1)其中，Y =預期的反應，bi =系數，A =磷濃度（mg l-1），B=赤泥劑量（g l-1）和C= pHi值。統計計算（t檢驗，F檢驗，方差分析（ANOVA）多元回歸分析）使用Microsoft Excel進行。回歸分析執行以適合反應函數（除磷效率和pHf）的實驗數據（表5）。表5 除磷效率（Y1）和pHf（Y2）回歸分析法的結果系數顯著影響t值除磷效率（Y1）截距42.5950.230489A-9.6450.23048941.

19、8459B34.3350.230489148.9661C-4.0650.23048917.6364AB-7.2850.23048931.6068ABC-0.7450.2304893.23226pHf（Y2）截距9.25750.057581A0.70.05758112.1567B1.34750.05758123.40163C0.7350.05758112.76452AB0.140.0575812.43134ABC0.23250.0575814.037758表6 用一階模型配件（ANOVA）回歸分析磷的去除效率和pHf來源d.f.平方和均方F值除磷效率（Y1）模型510736.552147.315

20、052.494剩余20.850.425總計710737.4pHf（Y2）模型523.35714.67142176.1139剩余20.053050.026525總計723.41015在實驗中研究的除磷效率（Y1）和pHf（Y2）的數學模型可以由分別用方程（2）及（3）表示。表6給出了使用模型來估計除磷效率和pHf作為磷的濃度、赤泥用量及pHi的函數的方差分析。回歸是在95%的置信水平下統計的。該模型顯示磷的去除效率（Y1）和pHf（Y2）的決定系數（R2 = 0.999，0.998）說明二者分別為99.9%和99.8%的變異反應。這是該模型很好地描述的證明，模型為：Y1 = 42.595 9.6

21、45A + 34.335B 4.065C 7.285AB 0.745ABC (2)Y2 = 9.2575 0.7A + 1.3475B + 0.735C 0.14AB + 0.2325ABC (3)正交實驗結果表明，赤泥用量對磷的去除效率和pHf的影響是最大的。增加赤泥用量能夠增加磷的去除效率和pHf。b2系數是模型方程中最大的正系數（參見方程（2）和（3）。眾所周知，該系數越大，相關的參數的影響也越大。這個正符號還顯示出參數和因變量有一個直接的關系。b1系數為Y1和Y2最大的負系數。如圖3所示，在較低pH條件下，增加磷濃度會使除磷效率和pHf降低，而且它的增加會降低去除率。圖6 磷濃度和赤泥

22、用量的相互作用（a）和 圖7 磷濃度和赤泥用量的相互作用（a）和赤泥用量和pHi相互作用（b）對磷的去除效 赤泥用量和pHi相互作用（b）對pHf的影率的影響。球代表反應變量的一定重量和反 響。球代表反應變量的一定重量和反應變應變量的平均值。 量的平均值。方程（2）和（3）也能看出兩個變量或三變量的相互作用顯著。負極（AB）和正極（A，B，C）的相互作用的證據是非常強的，因此不能從模型中被忽略。圖6和7表示出Y1和Y2的變量A，B，C之間可能的正和負的兩變量的相互作用。在3.4節磷與赤泥用量比例的影響支持著這一結果。因為已經發現，磷與赤泥質量之比越低除磷效率就越高，即低磷、高赤泥劑量。研究結果

23、表明當反應條件初始磷濃度為25mg l1，赤泥劑量為1.5 g l1，pHi值為3.0時，除磷效率和pHf達到最佳值，分別為97.6%和10.9。4結論本研究的結果表明赤泥是一種從水溶液中去除磷酸鹽有效的吸附劑。當初始pH值為3.0時，除磷效率隨著紅泥用量的增加而增加。最大效率除磷的理想的條件是足夠量的鈣離子和最終pH值大于9。作為這項研究的結果，我們發現赤泥用量對磷的去除效率和pHf產生最積極的影響。對于磷濃度，這個因素有很大的負面影響。pHi對除磷效率有負面影響而對于pHf有正面作用。磷濃度和赤泥用量之間的相互作用對磷的去除率和pHf有著顯著影響。致謝本項研究工作是由國家財政關鍵技術RD項

24、目（2006BAJ08B00），國家高技術技術研發計劃（863）科學技術部（2007AA06Z344）和公共行業研究國家環境保護（200709037）共同支持。作者感謝山東鋁業有限責任公司研究所提供了赤泥。感謝編輯和那些匿名人士提出的有益的建議和啟發性的意見。參考文獻1 B.E. Rittmann, P.L. McCarty, Environmental Biotechnology: Principles and Applications, McGraw-Hill, Singapore, 2001.2 H.S. Altundogan, F. Tumen, Removal of phosphat

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