污泥陶粒對鎳離子的吸附規(guī)律研究

張杰　吳顯鵬　蘇會東

摘要：以污水處理廠產(chǎn)生的脫水污泥和粉煤灰、粘土為原料，研究以適宜的配比混合高溫燒結制備陶粒以及其對Ni²⁺的吸附規(guī)律。結果表明：陶粒對金屬離子的吸附量隨著時間增加而增加，Ni²⁺達到吸附平衡的時間為140min，相應的最大吸附量為0.001 64mg/g；熱力學研究結果表明：△G^θ>0，反應是非自發(fā)的過程；△H^θ<0，反應是放熱反應；△S^θ<0，Ni²⁺在陶粒上的吸附是熵減小過程，符合吸附交換理論。

關鍵詞：污泥陶粒；高溫燒結；吸附；熱力學

中圖分類號：TM911.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0008-03

在廢水厭氧生物處理過程中，微量金屬元素參與了酶的組成，是合成微生物細胞不可或缺的一部分。直接投加微量金屬元素鹽類可以提供給微生物必要的微量金屬元素，但水中的氫氧根和膠體的沉淀和絡合作用會降低其生物有效度，而過量投加則會對水體產(chǎn)生重金屬污染。近年來，我國經(jīng)濟快速發(fā)展和城市人口增加城市污水處理廠的規(guī)模、數(shù)量都在日益增大，而在污水處理過程中將會產(chǎn)生大量的污泥，在這些剩余污泥中存有大量的有機質(zhì)，病原菌及重金屬等有毒有害物質(zhì)，如果不加以處理，將會導致對環(huán)境的二次污染和資源的浪費。用粉煤灰、污水廠污泥和粘土為原料，采用燒結法制備出陶粒，將金屬離子負載到陶粒中，使其緩慢釋放，既能滿足微生物生長需要又不會發(fā)生直接加入金屬鹽導致金屬離子濃度突然變化引起微生物中毒，克服常規(guī)微量金屬元素補給方法的缺陷。本實驗通過了以干污泥為主要原料，粉煤灰和粘土為配料制備高性能陶粒，研究了污泥陶粒對金屬鎳的吸附規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

實驗材料：沈陽北部污水處理廠脫水污泥；工業(yè)飛翔粉煤灰；粘土。

實驗儀器：箱式電阻爐（上海躍進醫(yī)療設備廠）；PY500智能數(shù)字壓力控制器（支持佛山市電子儀器有限公司，佛山市，中國）；721型可見分光光度計（上海精華科技儀器有限公司）；HZ5-HA水浴振蕩器（哈爾濱市東聯(lián)電子技術開發(fā)有限公司）

1.2 污泥陶粒的制備

本實驗制作陶粒為手工制作，首先，研磨原料，篩選，然后按照不同的比例稱量污泥，粉煤灰，粘土，并把它放在一個燒杯中反復攪拌均勻，緩慢滴

加蒸餾水混合原料。用手造粒得到圓粒陶粒，粒徑4～6mm。把陶粒放到培養(yǎng)皿中，然后在烘箱中100℃下烘干。干燥后的陶粒裝入陶瓷坩堝，并放置在箱式電阻爐中，在一定的溫度條件下煅燒，最后開箱使其自然冷卻。

1.3 陶粒對金屬離子的吸附規(guī)律研究

1.3.1 Ni²⁺的測試方法

本次實驗采用丁二酮肟分光光度法（GB/T11910-89）對金屬鎳離子進行了測定。

1.3.2 吸附實驗方法

準確稱取一定量的污泥陶粒放于150mL錐形瓶中，加入100mL一定濃度的鎳離子溶液，將其放入恒溫水浴振蕩器中振蕩吸附，控制一定溫度，轉速90r/min，間隔一定時間取樣并分析溶液中金屬離子濃度。吸附量計算公式：

式中：q-吸附量，mg/g；

C₀-原液金屬離子濃度，mg/L；

C-吸附平衡金屬離子濃度，mg/L；

V-體積，L；

m-陶粒投加量，g。

吸附率計算公式：式中：η-吸附率，%。

2 實驗結果與討論

2.1 吸附時間下陶粒對Ni²⁺的吸附影響

取6個體積為150mL的錐形瓶，編號分別為1、2、3、4、5、6，每個錐形瓶放入最佳工藝條件下燒制的陶粒5g，并分別向其中加入濃度為8mg/L的NiCl₂溶液100mL。按照編號依次振蕩吸附時間為15、30、60、90、120和150min時提取溶液測溶液中鎳離子的吸光度。通過公式算出鎳離子的吸附量和吸附率，結果如圖1。由圖1可知，當時間增長時，陶粒的吸附量和吸附率呈增大趨勢。在時間低于140min時，吸附量和吸附率隨時間的增長而增加，超過140min后趨于平衡。由此可以看出，污泥陶粒在140min左右吸附飽和，其最大吸附量為0.00164mg/g，此時吸附率為7.78%。

2.2 溶液初始濃度下陶粒對Ni²⁺的吸附

取5個干凈的150mL錐形瓶，編號1、2、3、4、5，分別稱取最佳原料配比下燒制的陶粒5g，然后依次向其中加入Ni2+濃度為2.5、4.5、6.5、8.5mg/L和10.5mg/L的NiCl溶液100mL。按照方法1.3方法測定并計算Ni²⁺的吸附量和吸附率，結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著溶液濃度增大，吸附量逐漸升高，而吸附率卻在不斷減小。由此可知，高濃度溶液有助于陶粒的對Ni²⁺的吸附。但當濃度升高到一定程度后，吸附量增加趨勢有所減緩，說明吸附漸趨于最大吸附量。

2.3 溫度對陶粒吸附Ni²⁺的影響

取5組150mL錐形瓶，編號1、2、3、4、5，分別放入5g最佳工藝條件下燒制的陶粒，并分別向其中加入濃度為6mg/L的NiCl2溶液100mL。將其放入水浴振蕩器中，分別控制溫度30、35、40、45和50℃，140min后提取溶液測溶液中鎳離子的吸光度。通過公式算出鎳離子的吸附量和吸附率，結果如圖3所示。

由圖3可知，溫度對陶粒的吸附量和吸附率有很大影響，當溫度不斷升高時，吸附量和吸附率均呈下降趨勢。根據(jù)Langmuir等溫線模型研究其機理，其公式為：

式中：C_e-金屬離子濃度，mg/L；

q_e-吸附量，mg/g；

q_n-最大飽和吸附量，g/g；

K_L-Langmmr平衡常數(shù)。

由數(shù)據(jù)以C_e/q_e。對C_e作圖，得圖4，由圖4可以看出隨著溫度的升高，陶粒的吸附量也是逐漸減小，因此初步判斷污泥陶粒對Ni²⁺的吸附為放熱反應。

采用Langmuir等溫模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，所得各參數(shù)列于表1。

由表1看出：污泥陶粒對Ni²⁺的吸附與Langmuir方程符合的很好（R²>0.99），說明反應為單層吸附。隨著溫度的升高，陶粒的最大飽和吸附量和Langmuir平衡常數(shù)隨之減小，這可以看出吸附屬放熱反應，降低溫度有利于反應的進行。通過熱力學函數(shù)公式計算：

△G^θ=-RTlnK_L

lnK_L=-△H^θ/（RT）+△S^θ/R式中：K_L-angmuir平衡常數(shù)

R-氣體常數(shù)；

T-溫度，K。

以K_L對1/T作圖擬合成一條直線，求得的熱力學參數(shù)如表2。

由表2可以看出，高溫燒結法燒制污泥陶粒對鎳離子的吸附反應△G^θ>0，△H^θ<0，反應為非自發(fā)的放熱反應，這與動力學結果一致，降低溫度有利于吸附反應進行；△S^θ<0，這符合吸附交換理論，即對于固-液交換吸附，溶質(zhì)分子由液相吸附交換到固-液界面時會失去一些自由度（包括平動和轉動），這是熵減少的過程。

3 結論

以城市污水處理廠的濕污泥，工業(yè)粉煤灰，粘土為原料，采用高溫燒結法燒制污泥陶粒。陶粒吸附量隨著吸附時間增加而增大，污泥陶粒在140min左右吸附飽和，其最大吸附量為0.00164mg/g；當溶液溫度升高時，陶粒吸附量下降，吸附反應△G^θ>0，△H^θ<0，△S^θ<0，反應為非自發(fā)的放熱反應，符合吸附交換理論，降低溫度有利于陶粒對金屬離子的吸附。