Cu2+在污泥灰改良粘土墊層中吸附規(guī)律的研究

邢百會，何 翔

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

Cu2+在污泥灰改良粘土墊層中吸附規(guī)律的研究

邢百會，何 翔

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

在傳統(tǒng)壓實(shí)粘土墊層中摻入3%、5%、7%(相對于粘土干質(zhì)量)化學(xué)改性污泥灰，探討通過化學(xué)改性污泥灰來改良垃圾填埋場壓實(shí)粘土墊層的可能性。通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)對Cu(Ⅱ)的吸附能力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：污泥灰的摻入大大提高了樣品的飽和吸附容量，Cu(Ⅱ)吸附能力明顯增強(qiáng)。污泥灰摻入量從3%變化到7%時(shí)，Cu(Ⅱ) 的飽和吸附容量分別提高了9.52%、14.74%、27.77%。

污泥灰；粘土墊層；吸附

1 引言

銅離子及其化合物是環(huán)境污染水體中普遍存在的有毒重金屬，也是滲濾液中是最為常見的重金屬離子之一[1-3]。隨著冶金，金屬加工業(yè)及機(jī)器生產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)生的廢水量不斷增加，含銅廢水含量不斷上升[4]。因此，在進(jìn)行填埋場阻滯研究中銅離子是必需考慮的問題之一。

壓實(shí)粘土墊層對防止?jié)B濾液污染環(huán)境具有重要作用，所以對壓實(shí)粘土墊層有一定的要求，既要保證壓實(shí)到一定的含水量和干密度以得到較低的滲水率，又要在抗剪強(qiáng)度方面有較好的力學(xué)性能[5-7]。工程中大多都通過增加黏土層的厚度達(dá)到防止重金屬例子滲透的要求，所以尋找一種節(jié)省能源的材料尤為重要。污泥灰中含有大量有毒有害及致癌物質(zhì)，而且產(chǎn)量巨大，工程應(yīng)用由于本身的特性受到嚴(yán)重的限制，關(guān)于污泥灰工程應(yīng)用的研究，國內(nèi)外都頗為少見[8-10]。因此，使用污泥灰來改良壓實(shí)粘土墊層，不但為污泥灰的綜合利用提供一個(gè)途徑，而且還能使粉煤灰變廢為寶、變害為利。

本文使用化學(xué)改性的污泥灰作為改良劑，對垃圾填埋場壓實(shí)粘土墊層進(jìn)行改良。通過吸附試驗(yàn)判斷使用化學(xué)改性污泥灰來改良垃圾填埋場壓實(shí)粘土墊層的可行性。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

研究中所使用的粘土取自武漢市東西湖地區(qū)，未受到重金屬離子的污染，黏土顆粒分布曲線如圖1所示。污泥樣品取自武漢市第二污水處理廠，在使用污泥樣品前先過濾毛發(fā)及大塊物料等雜物，過濾結(jié)束后將新鮮樣品放入溫度為4 ℃的冰箱中，以防止細(xì)菌及病毒滋生。按照下列步驟將污泥制備成污泥灰：(1)在105 ℃溫度烘干72小時(shí)。(2)取出烘干的試樣，放入高溫電爐中在850 ℃溫度下焚燒48小時(shí)。(3)焚燒后的污泥灰結(jié)塊比較嚴(yán)重，將焚燒后的污泥灰用球磨機(jī)研磨，研磨后過100目標(biāo)準(zhǔn)篩，將污泥樣品制成污泥灰。試驗(yàn)中的重金屬Cu(Ⅱ)所用試劑為Cucl2等級為分析純。

圖1 粘土顆粒分布曲線

2.2 試驗(yàn)方法

靜態(tài)吸附結(jié)果的測定采用Batch試驗(yàn)的方法。試驗(yàn)的步驟如下所示：(1)制備1000 mg/L的重金屬Cu(Ⅱ)溶液備用；(2)將備用溶液分別稀釋到10 mg/L，20 mg/L，30 mg/L，40 mg/L，50 mg/L，100 mg/L，150 mg/L，200 mg/L，250 mg/L及300 mg/L，并用硝酸滴定至pH=3.3附近；(3)稱取一定質(zhì)量的吸附劑倒入盛有溶液的錐形瓶中，保證吸附劑的固液比為100 g/L；(4)將錐形瓶置于恒溫?fù)u床中，速度設(shè)置為200 rpm，溫度設(shè)置為303 K，振蕩時(shí)間24 h；(5)取下部土體在離心速度為4000 rpm的情況下，離心10 min。(6)取上部清液用日立Z-2000型(火焰/石墨一體機(jī))原子吸收光譜儀測定上部清夜的重金屬的濃度。

3 等溫吸附試驗(yàn)

3.1 基本理論

為了研究Cu(Ⅱ)在襯墊系統(tǒng)材料中的吸附特性，采用Henry，F(xiàn)reundlich及Langmuir三種模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。三種等溫吸附模型如下所示：

Henry：

Cs=kdCe

(1)

式中，Cs為平衡吸附量；Ce為平衡濃度；kd為吸附分配吸附。

Freundlich 吸附

(2)

式中，kf為分配系數(shù)；nf為Freundlich指數(shù)。

Langmuir 吸附

(3)

式中，b,qm為吸附參數(shù)。

在擬合過程中，用R2(相關(guān)系數(shù))來檢驗(yàn)擬合方程的顯著性；R2越大,模型越優(yōu)。其中R2的公式如(4)所示：

(4)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣對重金屬的吸附是一個(gè)快速的過程，在一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)基本達(dá)到穩(wěn)定。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)重金屬濃度較低時(shí)，襯墊系統(tǒng)材料對重金屬離子的平衡吸附量快速增加，但隨著初始濃度的逐漸增加，襯墊系統(tǒng)材料對重金屬離子的平衡吸附量的增加速度變緩；劉俊濤等[11]對這種現(xiàn)象進(jìn)行了相應(yīng)的報(bào)道，認(rèn)為在低濃度條件下，吸附材料的吸附主要與重金屬離子的初始濃度有關(guān)，吸附剛開始的階段，吸附材料的吸附點(diǎn)位(功能團(tuán))較多，所以大部分的重金屬離子被吸附，與吸附材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)關(guān)系不大，吸附主要以專性吸附為主；但隨著重金屬濃度的增加，吸附點(diǎn)位飽和，吸附點(diǎn)位相對減少，此時(shí)非專性吸附的能力加以體現(xiàn)，從而導(dǎo)致不同的吸附劑材料對不同重金屬離子的吸附能力差異逐漸顯現(xiàn)。黏土、3%污泥灰、5%污泥灰和7%污泥灰吸附數(shù)據(jù)使用三種模型進(jìn)行擬合如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 不同模型對黏土吸附數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果

圖3 不同模型對3%污泥灰吸附數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果

圖4 不同模型對5%污泥灰吸附數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果

圖5 不同模型對7%污泥灰吸附數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果

從圖2、圖3、圖4、圖5可以看出Langmuir模型對吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果最好，R2值在0.97-0.99之間。說明黏土、3%污泥灰、5%污泥灰和7%污泥灰對Cu(Ⅱ)的吸附符合Langmuir模型。

Langmuir模型有兩個(gè)吸附參數(shù)，分別為最大吸附量(qm)及平衡解離常數(shù)(b)。飽和吸附容量(qm)的物理意義是吸附劑材料最大吸附量，反應(yīng)吸附劑的吸附能力；平衡解離常數(shù)b的物理意義為處于平衡狀態(tài)時(shí)AB的解離程度，b越大說明解離越多，代表AB之間親和力越弱，b越小說明解離越少，代表AB間親和力越強(qiáng)。通過Langmuir擬合得出Langmuir模型有兩個(gè)吸附參數(shù)，過程如圖6所示。

圖6 Cu(Ⅱ)在不同試樣中的等溫吸附曲線

從圖6可以看出Cu(Ⅱ)在不同襯里土料中的等溫吸附曲線是不同的。污泥灰摻入量為3%時(shí)，最大吸附量為497.71 mg/kg。污泥灰摻入量為5%時(shí)，最大吸附量526.19 mg/kg。污泥灰摻入量為7%時(shí)，最大吸附量為597.31 mg/kg。即污泥灰摻入量從3%變化到7%，Cu(Ⅱ) 的飽和吸附容量分別提高了9.52%、14.74%、27.77%。污泥灰摻入量為3%時(shí)，平衡解離常數(shù)0.027。污泥灰摻入量為5%時(shí)，平衡解離常數(shù)為0.0311。污泥灰摻入量為7%時(shí)，平衡解離常數(shù)為0.034。即Cu(Ⅱ) 的平衡離解常數(shù)分別增加了35.68%、56.28%、70.85%。

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)壓實(shí)粘土墊層中摻入3%、5%、7%(相對于粘土干質(zhì)量)的化學(xué)改性污泥灰，探討通過化學(xué)改性污泥灰來改良垃圾填埋場壓實(shí)粘土墊層的可能性。通過吸附試驗(yàn)，研究Cu(Ⅱ)在污泥灰改良墊層中的吸附規(guī)律得出以下結(jié)論：

(1)墊層材料對Cu(Ⅱ)吸附是一個(gè)快速的過程，在15min內(nèi)基本達(dá)到穩(wěn)定。

(2)所有試樣對Cu(Ⅱ)的吸附過程，都可以用Langmuir模型來表征。

(3)摻入污泥灰提高了墊層對Cu(Ⅱ)的最大吸附量，說明加入污泥灰來提高墊層對重金屬的吸附能力是可行的。

(4)摻入污泥灰后平衡解離常數(shù)增加，說明吸附的重金屬離子存在解吸的可能性，其應(yīng)用效果還需進(jìn)一步考證。

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Research on Cu2+in sludge ash modified clay bed adsorption law

XINGBai-hui,HEXiang

(School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

In traditional cushion of compacted clay mixed with 3%, 5% and 7% (Relative to clay dry mass), the article explores the possibility of improving landfill compaction clay mats by chemical modification of sludge ash.The adsorption capacity of Cu (Ⅱ) was studied by isothermal adsorption experiment. The results show that the addition of sludge ash greatly improves the saturated adsorption capacity of the sample, and the adsorption capacity of Cu (Ⅱ) is obviously enhanced. When the sap ash content varied from 3% to 7%, the saturated adsorption capacity of Cu (Ⅱ) respectively increased by 9.52%, 14.74% and 27.77%.

sludge ash；clay cushion；adsorption

2017-03-29.

邢百會(1994-),女,碩士研究生,E-mail:1575207119@qq.com.

何翔(1974-),男,副教授,E-mail:hexiangchn@163.com.

2095-7386(2017)02-0053-04

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.02.011

TU521

A