凈水污泥檸檬酸鈉改性焙燒制備陶粒吸附劑及其對(duì)廢水中氨氮吸附性能的研究

羅書舟，王東田，2*

(1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州科技大學(xué)化學(xué)生物與材料工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

以鐵鹽和鋁鹽為混凝劑去除原水中的膠體雜質(zhì)是水凈化的主要預(yù)處理工藝，這些膠體雜質(zhì)不斷聚集沉淀下來(lái)則形成了凈水污泥。凈水污泥作為給水廠的廢棄物，少部分用于農(nóng)田堆肥、建筑利用，還有大量的凈水污泥采用陸上填埋、海洋棄投等方式處理，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

氨氮進(jìn)入水體后會(huì)引起藻類異常繁殖，導(dǎo)致水質(zhì)下降，并對(duì)魚類及水生物種產(chǎn)生毒性。吸附法具有低能耗、高效等特點(diǎn)，是去除水中氨氮的有效方法之一，但由于吸附材料的吸附性能及成本等原因，限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用，因此需要開發(fā)更為高效、廉價(jià)的吸附劑。

凈水污泥含有豐富的土壤顆粒、鐵鋁氧化物等物質(zhì)，其表面粗糙、多微孔，還含有大量的鐵(Fe)、鋁(Al)、硅(Si)的活性位點(diǎn)，因此對(duì)廢水中污染物有較好的吸附效果，如對(duì)重金屬、磷(P)、甲基藍(lán)等的吸附。將凈水污泥通過(guò)高溫焙燒等工藝制備成污泥灰吸附劑用于去除廢水中污染物已有大量的研究。如李榮等將凈水污泥與粉末活性炭通過(guò)復(fù)合-焙燒等工藝制備成吸附劑，其對(duì)水中氨氮的吸附量可達(dá)1.02 mg/g；劉啟迪等研究了煅燒凈水污泥制備除磷材料的可行性，結(jié)果表明與未煅燒的凈水污泥相比，煅燒后的凈水污泥對(duì)廢水中P的吸附量增加了48.2%。

由于凈水污泥表面的吸附位點(diǎn)有限，其對(duì)廢水中污染物的吸附效果不夠理想，許多研究者對(duì)凈水污泥進(jìn)行了改性處理以提高其吸附性能。如杜明展等將煤矸石經(jīng)鹽酸處理后，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部形成了大量孔隙，且比表面積增大，對(duì)稀土廢水中氨氮的吸附能力增強(qiáng)；林豐等研究了氫氧化鉀改性埃洛石對(duì)養(yǎng)豬廢水中氨氮的去除效果，結(jié)果表明其對(duì)養(yǎng)豬廢水中氨氮的吸附量可達(dá)14.75 mg/g，較改性前提高了5.1倍；林海等研究了經(jīng)濃度為0.05 mol/L的檸檬酸鈉改性后的沸石對(duì)廢水中氨氮的吸附性能，結(jié)果表明改性后的沸石對(duì)廢水中氨氮的去除率可達(dá)98.14%，比原沸石提高了44.42%。

基于上述研究，本試驗(yàn)以凈水污泥為原料，選用鹽酸、氫氧化鉀、檸檬酸鈉作為改性劑，通過(guò)研磨—改性—造粒—焙燒等工藝制備改性凈水污泥陶粒吸附劑，測(cè)定其對(duì)水中氨氮的吸附量，得到最優(yōu)的改性凈水污泥陶粒吸附劑，探討其對(duì)廢水中氨氮吸附效果的影響因素，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行吸附等溫線和吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合研究，以期為凈水污泥在氨氮廢水處理方面的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 凈水污泥改性試驗(yàn)

取某自來(lái)水廠脫水污泥放入烘箱中于100℃下干燥24 h，經(jīng)粉碎后過(guò)200目篩，得到凈水污泥粉末。將凈水污泥粉末投入不同濃度的酸(鹽酸)、堿(氫氧化鉀)、鹽(檸檬酸鈉)改性劑溶液中攪拌(凈水污泥質(zhì)量/改性劑溶液體積=50 g/L)，在振蕩器中于25℃和120 r/min轉(zhuǎn)速下振蕩24 h后過(guò)濾并用蒸餾水沖洗多次，放入造粒機(jī)制成直徑約為5 mm的圓柱形顆粒，經(jīng)烘箱干燥5 h后，在馬弗爐中于500℃下焙燒5 h，制備得到改性凈水污泥陶粒吸附劑(以下簡(jiǎn)稱改性陶粒吸附劑)。以氨氮吸附量為衡量指標(biāo)，篩選出上述最佳改性陶粒吸附劑和最佳改性陶粒吸附劑濃度。此外，在相同的條件下制備原凈水污泥陶粒吸附劑(以下簡(jiǎn)稱原泥陶粒吸附劑)，用于對(duì)比試驗(yàn)。

1.2 吸附劑的表征方法

采用能量色散X射線光譜儀(EDX)測(cè)定吸附劑的元素組成及其含量；采用X射線衍射(XRD)儀(D-8，德國(guó)Brucker)測(cè)試分析吸附劑的晶型；采用賽默飛IS50型原位傅里葉紅外光譜(FT-IR)儀測(cè)試分析吸附劑的官能團(tuán)；采用Quanta FEG 250掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試分析吸附劑的表面形貌；采用比表面積及孔徑分析儀(BET)測(cè)試分析吸附劑的比表面積和總孔容。

1.3 氨氮水樣的配制及測(cè)定方法

采用氯化銨配制模擬氨氮廢水，水中氨氮含量采用納氏試劑分光光度法檢測(cè)。吸附劑對(duì)水中氨氮的平衡吸附量和去除率由以下公式計(jì)算:

(1)

(2)

式中：

q

為吸附劑對(duì)溶液中氨氮的平衡吸附量(mg/g)；

m

為吸附劑用量(g)；

w

為吸附劑對(duì)溶液中氨氮的去除率(%)；

C

為溶液中氨氮的初始濃度(mg/L)；

C

為吸附平衡時(shí)溶液中氨氮的濃度(mg/L)；

V

為溶液的體積(L)。

1.4 吸附試驗(yàn)

1.4.1 吸附劑對(duì)氨氮吸附效果的對(duì)比試驗(yàn)

分別稱取1.0 g不同改性條件下制備的改性陶粒吸附劑和原泥陶粒吸附劑，投入50 mL濃度為50 mg/L的氨氮溶液中，在振蕩器中于25℃和120 r/min轉(zhuǎn)速下吸附24 h后，測(cè)量溶液中氨氮的濃度。

1.4.2 吸附劑對(duì)氨氮吸附效果的影響因素分析試驗(yàn)

(1) 溶液初始pH值對(duì)氨氮吸附效果的影響。將氨氮溶液初始pH值分別調(diào)節(jié)為1、3、5、7、9、11，分別稱取1.0 g原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑投入50 mL濃度為50 mg/L的不同初始pH值氨氮溶液中，在振蕩器中于25℃和120 r/min轉(zhuǎn)速下吸附24 h后，測(cè)量溶液中氨氮的濃度。

(2) 吸附時(shí)間對(duì)氨氮吸附效果的影響。分別稱取1.0 g原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑投入50 mL濃度為50 mg/L的氨氮溶液中，將溶液調(diào)至最佳pH值，在振蕩器中于25℃和120 r/min轉(zhuǎn)速下吸附時(shí)間分別為0.5 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、7 h、8 h時(shí)取樣，測(cè)量溶液中氨氮的濃度。

(3) 吸附劑投加量對(duì)氨氮吸附效果的影響。分別稱取不同質(zhì)量(0.5 g、1 g、2 g、3 g)的原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑投入50 mL濃度為50 mg/L的氨氮溶液中，將溶液調(diào)至最佳pH值，在最佳吸附時(shí)間下進(jìn)行振蕩吸附后，測(cè)量溶液中氨氮的濃度。

(4) 氨氮初始濃度對(duì)氨氮吸附效果的影響。分別稱取1.0 g原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑投入50 mL不同初始濃度的氨氮溶液中，將溶液調(diào)至最佳pH值，在最佳吸附時(shí)間下進(jìn)行振蕩吸附后，測(cè)量溶液中氨氮的濃度。

1.5 吸附等溫線與吸附動(dòng)力學(xué)擬合

1.5.1 吸附等溫線擬合

吸附等溫線是指在一定溫度下，當(dāng)吸附達(dá)到平衡時(shí)，溶液中離子濃度與吸附劑對(duì)該離子的吸附量之間的關(guān)系。按照第1.4節(jié)(4)中步驟進(jìn)行吸附試驗(yàn)，并采用Langmuir模型和Freundlich模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了吸附等溫線擬合。其中，Langmuir模型一般用來(lái)描述發(fā)生在均勻吸附劑表面上的單分子定位吸附；Freundlich模型一般用來(lái)描述在非均勻吸附劑表面上的多分子層吸附。Langmuir模型和Freundlich模型的計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

式中:

q

為單分子層飽和吸附量(mg/g)；

K

為L(zhǎng)angmuir模型平衡常數(shù)(L/mg)；

n

為與吸附能力有關(guān)的常數(shù)；

K

為Freundlich模型平衡常數(shù)[(mg/g)·(L/mg)1]。

1.5.2 吸附動(dòng)力學(xué)擬合

吸附動(dòng)力學(xué)模型主要表達(dá)了吸附材料對(duì)污染物的吸附量隨時(shí)間的變化情況。按照第1.4節(jié)(2)中步驟進(jìn)行吸附試驗(yàn)，并采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了吸附動(dòng)力學(xué)擬合，分析吸附劑對(duì)氨氮的吸附過(guò)程，并計(jì)算吸附速率。其中，準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型是假定吸附質(zhì)從溶液轉(zhuǎn)移至吸附劑表面的過(guò)程受擴(kuò)散步驟的控制；準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型是在假定吸附速率受化學(xué)吸附機(jī)理控制的基礎(chǔ)上，吸附劑與吸附質(zhì)之間電子對(duì)的公用或轉(zhuǎn)移。準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算公式如下：

ln(

q

-

q

)=ln

q

-

k

t

(5)

(6)

式中:

k

為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)(min)；

t

為吸附時(shí)間(min)；

k

為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)[g/(mg·min)]；

q

為

t

時(shí)刻的氨氮吸附量(mg/g)。

1.6 氨氮解吸和重復(fù)利用試驗(yàn)

稱取1.0 g改性陶粒吸附劑投入50 mL濃度為50 mg/L的氨氮溶液中，恒溫吸附24 h后過(guò)濾并用蒸餾水沖洗多次；再將吸附飽和的改性陶粒吸附劑分別用50 mL不同濃度(0.01～1.5 mol/L)的NaOH、NaCl、HCl進(jìn)行解吸，振蕩脫附24 h后過(guò)濾，離心分離，測(cè)量溶液中氨氮濃度，并利用下式計(jì)算其解吸率:

(7)

式中:

q

為飽和改性陶粒吸附劑對(duì)溶液中氨氮的釋放量(mg/g)；

n

為改性陶粒吸附劑對(duì)溶液中氨氮的解吸率(%)。

將解吸后的改性陶粒吸附劑投入50 mL濃度為50 mg/L的氨氮溶液中，多次重復(fù)以上吸附解吸步驟，并按公式(2)計(jì)算其對(duì)氨氮的去除率。

2 結(jié)果與討論

2.1 凈水污泥最佳改性條件的確定

分別采用鹽酸、氫氧化鉀和檸檬酸鈉改性劑對(duì)凈水污泥進(jìn)行改性，得到3種改性凈水污泥陶粒吸附劑簡(jiǎn)稱改性陶粒吸附劑，得到添加不同改性劑的凈水污泥對(duì)溶液中氨氮的吸附效果，見圖1。

圖1 添加不同改性劑的凈水污泥對(duì)溶液中氨氮的吸附效果Fig.1 Adsorption effect of different modifiers on ammonia nitrogen in solution

由圖1可見，3種改性劑均能提高凈水污泥對(duì)溶液中氨氮的吸附性能，其中0.5 mol/L的檸檬酸鈉對(duì)凈水污泥的改性效果最佳，對(duì)水溶液中氨氮的吸附量可達(dá)1.508 mg/g，因此選用0.5 mol/L的檸檬酸鈉對(duì)凈水污泥進(jìn)行改性。

為了進(jìn)一步提高檸檬酸鈉改性凈水污泥對(duì)溶液中氨氮的吸附性能，將凈水污泥置于0.5 mol/L的檸檬酸鈉溶液中攪拌后，對(duì)其進(jìn)行水浴加熱，考察水浴溫度和水浴時(shí)間對(duì)溶液中氨氮吸附效果的影響，經(jīng)此工序后制得的改性陶粒吸附劑對(duì)溶液中氨氮的吸附效果，見圖2。

圖2 水浴溫度和水浴時(shí)間對(duì)改性陶粒吸附劑對(duì)溶液中氨氮吸附效果的影響Fig.2 Effect of water bath temperature and bath time on the adsorption effect of ammonia nitrogen by modified ceramsite adsorbent

由圖2可見，在45℃、65℃和85℃的水浴溫度下，對(duì)改性過(guò)程進(jìn)行水浴加熱，均能提高改性陶粒吸附劑對(duì)溶液中氨氮的吸附性能，其中在65℃下加熱5 h時(shí)其對(duì)溶液中氨氮的吸附量達(dá)到最大，為1.838 mg/g。這是由于隨著水浴溫度的提高，離子的熱運(yùn)動(dòng)加快，單位時(shí)間內(nèi)Na接觸凈水污泥表面的次數(shù)增多，有利于離子交換過(guò)程的進(jìn)行，但水浴溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)降低Na在凈水污泥表面的吸附強(qiáng)度，導(dǎo)致離子交換容量減小。因此，凈水污泥的最佳改性條件為：采用0.5 mol/L的檸檬酸鈉攪拌混合，并在水浴溫度為65℃下浸泡5 h。

2.2 吸附劑的表征結(jié)果分析

2.2.1 吸附劑EDX和SEM分析

本文采用能量色散X射線光譜(EDX)儀對(duì)原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑的元素組成及其含量進(jìn)行測(cè)試分析，其測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑的元素組成及其含量(wt%)Table 1 Element composition of raw sludge ceramsite adsorbent and modified ceramsite adsorbent (wt%)

由表1可知，原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑兩種吸附劑的主要元素組成均為O、Si、Al，而凈水污泥經(jīng)檸檬酸鈉改性后，其Na元素含量由0%增加至5.47%，說(shuō)明溶液中的Na已通過(guò)置換作用進(jìn)入凈水污泥中。這是由于Na的半徑較小，根據(jù)體積效應(yīng)，使得改性陶粒吸附劑的空間位阻減小，內(nèi)擴(kuò)散速度加快，離子交換容量增大。

本文采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑的表面形貌進(jìn)行測(cè)試分析，其測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑的SEM圖Fig.3 SEM images of raw sludge ceramsite adsorbent and modified ceramsite adsorbent

由圖3可見，與原泥陶粒吸附劑的表層結(jié)構(gòu)相比，改性陶粒吸附劑表面片層數(shù)量變多、變薄且更加疏松。這是由于檸檬酸鈉在500℃高溫焙燒時(shí)分解后產(chǎn)生了CO等氣體物質(zhì)，當(dāng)氣體物質(zhì)由內(nèi)向外逸出時(shí)產(chǎn)生的沖擊力不斷作用于吸附劑表面，使其表層結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

2.2.2 吸附劑BET分析

本文采用比表面積及孔徑分析(BET)儀對(duì)原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑的比表面積及孔容進(jìn)行測(cè)試分析，其測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑的比表面積、孔容和平均孔徑Table 2 Specific surface area,pore volume and average pore size of raw sludge ceramsite adsorbent and modified ceramsite adsorbent

2.2.3 吸附劑XRD分析

本文采用X射線衍射(XRD)儀對(duì)原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑的晶型進(jìn)行測(cè)試分析，其測(cè)試結(jié)果見圖4。

圖4 原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑的XRD圖Fig.4 XRD patterns of raw sludge ceramsite adsorbent and modified ceramsite adsorbent

2.2.4 吸附劑FT-IR分析

本文采用傅里葉紅外光譜(FT-IR)儀對(duì)原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑的官能團(tuán)進(jìn)行測(cè)試分析，其測(cè)試結(jié)果見圖5。

圖5 原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑的FT-IR圖Fig.5 FTIR spectra of raw sludge ceramsite adsorbent and modified ceramsite adsorbent

2.3 吸附劑對(duì)氨氮吸附效果的影響因素分析

2.3.1 溶液初始pH值對(duì)氨氮吸附效果的影響

溶液初始pH值對(duì)原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑兩種吸附劑吸附氨氮效果的影響，見圖6。

圖6 溶液初始pH值對(duì)兩種吸附劑吸附氨氮效果的影響Fig.6 Effect of initial pH of solution on the adsorption of ammonia nitrogen by the two adsorbents

2.3.2 吸附時(shí)間對(duì)氨氮吸附效果的影響

吸附時(shí)間對(duì)原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑兩種吸附劑吸附氨氮效果的影響，見圖7。

圖7 吸附時(shí)間對(duì)兩種吸附劑吸附氨氮效果的影響Fig.7 Effect of time on the adsorption of ammonia nitrogen by the two adsorbents

由圖7可見，在前1 h內(nèi)，改性陶粒吸附劑對(duì)溶液中氨氮的吸附量急劇上升，從0 mg/g增加至1.481 mg/g；在4～6 h內(nèi)，改性陶粒吸附劑對(duì)溶液中氨氮的吸附量仍在上升，但吸附速率較前1 h明顯放緩，并在6 h時(shí)達(dá)到吸附飽和。這是由于在吸附前期，吸附劑表面未被利用的吸附位點(diǎn)的數(shù)目較多，且吸附劑表面液膜與溶液之間存在一定的濃度差，加快了氨氮的擴(kuò)散速度，使得溶液中氨氮被快速吸附。

2.3.3 吸附劑投加量對(duì)氨氮吸附效果的影響

吸附劑投加量對(duì)原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑兩種吸附劑吸附氨氮效果的影響，見圖8。

圖8 吸附劑投加量對(duì)兩種吸附劑吸附氨氮效果的影響Fig.8 Effect of the dosage of adsorbents on the adsorption of ammonia nitrogen by the two adsorbents

由圖8可見，當(dāng)改性陶粒吸附劑的投加量由10 g/L增加至60 g/L時(shí)，其對(duì)溶液中氨氮的平衡吸附量從3.17 mg/g降至0.76 mg/g，而吸附率則從63.40%増至91.20%。

這是由于吸附劑的投加量決定了吸附位點(diǎn)的數(shù)目，當(dāng)其投加量增加時(shí)，吸附劑表面的吸附位點(diǎn)未被完全利用，使得單位吸附位點(diǎn)的吸附量變低，對(duì)氨氮的吸附效率增加。當(dāng)改性陶粒吸附劑的投加量由0 g/L增加至20 g/L時(shí)，對(duì)氨氮的去除率增加了77.52%；而當(dāng)改性陶粒吸附劑的投加量由20 g/L增加至60 g/L時(shí)，對(duì)氨氮的去除率僅增加了13.68%。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本因素，選取改性陶粒吸附劑的投加量為20 g/L。

2.3.4 氨氮初始濃度對(duì)氨氮吸附效果的影響

氨氮初始濃度對(duì)原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑兩種吸附劑吸附氨氮效果的影響,見圖9。

圖9 氨氮初始濃度對(duì)兩種吸附劑吸附氨氮效果的影響Fig.9 Effect of initial concentration of ammonia nitrogen on the adsorption of ammonia nitrogen by the two adsorbents

由圖9可見，當(dāng)氨氮初始濃度為0～150 mg/L時(shí)，隨著氨氮初始濃度的升高，兩種吸附劑對(duì)氨氮的平衡吸附量增加；當(dāng)氨氮初始濃度增加至150 mg/L時(shí)，兩種吸附劑對(duì)氨氮的吸附量趨于平衡，此時(shí)兩種吸附劑對(duì)溶液中氨氮的吸附量分別為3.115 mg/g、1.702 mg/g。這是由于當(dāng)氨氮初始濃度較低時(shí)，吸附劑表面存在未被利用的吸附位點(diǎn)，使得其對(duì)氨氮的吸附量顯著增加；而當(dāng)氨氮初始濃度較高時(shí)，吸附劑表面已無(wú)可進(jìn)行吸附的位點(diǎn)，繼續(xù)增加氨氮濃度則其對(duì)氨氮的吸附量不再增加。

2.4 吸附等溫線擬合

原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑兩種吸附劑對(duì)氨氮吸附過(guò)程的吸附等溫線擬合結(jié)果，見圖10和圖11。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果按公式(3)和(4)計(jì)算，所得吸附等溫線的擬合參數(shù)見表3。

圖10 兩種吸附劑對(duì)氨氮吸附過(guò)程的Langmuir模型擬合結(jié)果Fig.10 Langmuir model fitting of ammonia nitrogen adsorption process by the two adsorbents

圖11 兩種吸附劑對(duì)氨氮吸附過(guò)程的Freundlich模型擬合結(jié)果Fig.11 Freundlich model fitting of ammonia nitrogen adsorption process by the two adsorbents

由表3可知，Langmuir模型的

R

值大于Freundlish模型，表明Langmuir模型的擬合效果更佳，說(shuō)明發(fā)生在吸附劑表面的吸附過(guò)程為單分子層吸附。吸附模型的性質(zhì)可以用分離因子

R

進(jìn)行分析，其計(jì)算公式為

(8)

當(dāng)0<

R

<1時(shí)判定為有利吸附。由表3可知，兩種吸附劑的

R

值均在0～1之間，說(shuō)明氨氮在兩種吸附劑上的吸附為有利吸附。

表3 吸附等溫線的擬合參數(shù)Table 3 Fitting parameters of the adsorption isotherm model

2.5 吸附動(dòng)力學(xué)擬合

原泥陶粒吸附劑和改性陶粒吸附劑兩種吸附劑對(duì)氨氮吸附過(guò)程的吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果，見圖12。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果按公式(5)和(6)計(jì)算，所得吸附動(dòng)力學(xué)模型的擬合參數(shù)見表4。

圖12 兩種吸附劑對(duì)氨氮吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程的準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果Fig.12 Pseudo-first order kinetics model and Pseudo- second order kinetics model fitting of ammonia nitrogen adsorption process by two adsorbents

由表4可知，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的

R

值大于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，表明準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的擬合效果更佳，而且改性陶粒吸附劑和原泥陶粒吸附劑兩種的吸附劑對(duì)溶液中氨氮的理論吸附值

q

,thero(2.06 mg/g、0.81 mg/g)與實(shí)際吸附值

q

,exp(1.938 mg/g、0.785 mg/g)也更為吻合，說(shuō)明該吸附過(guò)程為在吸附劑表面進(jìn)行的化學(xué)吸附。吸附劑的初始吸附速率

h

可由下式計(jì)算：

(9)

由表4可知，改性陶粒吸附劑的

h

值大于原泥陶粒吸附劑，說(shuō)明相比于原泥陶粒吸附劑，改性陶粒吸附劑對(duì)氨氮的初始吸附速率更快。

表4 吸附動(dòng)力學(xué)模型的擬合參數(shù)Table 4 Fitting parameters of the adsorption kinetics model

2.6 氨氮解吸和重復(fù)再生結(jié)果分析

2.6.1 不同再生液對(duì)飽和改性陶粒吸附的氨氮解吸效果對(duì)比

按照第1.6節(jié)中步驟，采用NaOH、NaCl、HCl 3種再生液對(duì)吸附飽和的改性陶粒吸附劑進(jìn)行解吸試驗(yàn)，其對(duì)氨氮的解吸效果見圖13。

圖13 不同再生液對(duì)飽和改性陶粒吸附劑的氨氮解吸效果對(duì)比Fig.13 Comparison of different regenerated fluids on ammonia nitrogen desorption by saturated modified ceramsite adsorbents

2.6.2 重復(fù)再生效果分析

本文采用NaOH溶液對(duì)吸附飽和的改性陶粒吸附劑進(jìn)行5次重復(fù)再生試驗(yàn)，其對(duì)氨氮的解吸效果見表5。

表5 飽和改性陶粒吸附劑的重復(fù)再生效果比較Table 5 Comparison of repeated regeneration effect of saturated modified ceramsite adsorbents

由表5可知，NaOH溶液對(duì)吸附飽和的改性陶粒吸附劑有較好的重復(fù)再生效果，經(jīng)過(guò)5次解吸再生后，改性陶粒吸附劑對(duì)氨氮的解吸率和解吸量分別為70.99%和1.7747 mg/g，其再生和解吸能力保持良好。

2.7 改性陶粒吸附劑與商用吸附劑的比較

對(duì)于吸附法來(lái)說(shuō)，選擇一種高效、價(jià)格低廉的吸附劑對(duì)降低處理成本有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。從吸附性能和經(jīng)濟(jì)性兩方面，將改性陶粒吸附劑與目前商用氨氮吸附劑進(jìn)行了對(duì)比，詳見表6。

表6 不同氨氮吸附劑的對(duì)比Table 6 Comparison of different ammonia nitrogen adsorbents

由表6可知，改性陶粒吸附劑對(duì)氨氮的吸附效果優(yōu)于大部分氨氮吸附劑，其對(duì)氨氮的吸附量?jī)H低于鈉型沸石和粉煤灰，而且在原材料成本上也具有一定的優(yōu)勢(shì)，而制成陶粒更易于回收再利用，可以達(dá)到以廢治廢的目的，說(shuō)明檸檬酸鈉改性凈水污泥陶粒吸附劑具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

3 結(jié) 論

(1) 凈水污泥的最佳改性條件為：采用0.5 mol/L的檸檬酸鈉攪拌混合，并在水浴溫度為65℃下浸泡5 h。與原泥陶粒吸附劑相比，改性陶粒吸附劑的表面片層數(shù)量變多且更加疏松，離子交換容量、孔徑和比表面積增大，提高了對(duì)氨氮的吸附性能。

(2) 改性陶粒吸附劑對(duì)氨氮的吸附效果與原泥陶粒吸附劑相比有顯著提高，當(dāng)溶液最佳pH值為7、飽和吸附時(shí)間為6 h、吸附劑經(jīng)濟(jì)投加量為20 g/L、氨氮初始濃度為50 mg/L時(shí)，改性陶粒吸附劑對(duì)氨氮的最大吸附量為1.938 mg/g，為原泥陶粒吸附劑的2.46倍。

(3) 改性陶粒吸附劑和原泥陶粒吸附劑對(duì)氨氮的吸附過(guò)程均符合Langmuir模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。分離因子

R

計(jì)算結(jié)果表明，氨氮在兩種吸附劑上的吸附均為有利吸附，且改性陶粒吸附劑對(duì)氨氮的初始吸附速率高于原泥陶粒吸附劑。

(4) 改性陶粒吸附劑的最佳再生液為0.1 mol/L的NaOH溶液，對(duì)氨氮的解吸率可達(dá)92.22%。吸附飽和的改性陶粒吸附劑經(jīng)過(guò)5次解吸和回用后，對(duì)氨氮的解吸率僅下降了6.53%，其再生和解吸能力保持良好。