污泥半焦对亚甲基蓝的吸附

陈 颖，杨嘉谟，郭 萍，黄升谋

(武汉工程大学环境与城市建设学院，湖北武汉430074)

0 引 言

污泥是城市污水处理厂的伴随产物，随着污水处理量增加，污泥量也在不断增加.全国污水处理厂污泥的规范化处置率不到20％，而处理的方法主要是填埋，甚至有一些农户将污泥直接拉到田里做有机肥，随意大量施用污泥容易导致严重的环境和卫生风险[1].如何让污泥二次利用又不产生大量的污染是目前我们所要研究的问题.染料废水主要来源于染料和染料中间体生产及印染行业，染料废水成分复杂、水质变化大、颜色深、难以生物降解，进入水体后影响水生植物的光合作用，从而破坏水中生态平衡，引起环境问题[2].本文采用对污泥进行热裂解，热解是在不向反应器

1 材料仪器与方法

1.1 原料

荆州市污水处理厂脱水后的污泥经650 ℃热解所产生的半焦,使用前经110 ℃烘干2 h,过0.090 mm(170目)筛，其成分如表1所示.

表1 污泥的元素及工业分析

1.2 实验试剂与仪器

实验用水为蒸馏水，亚甲基蓝(CP)，氢氧化钠，盐酸.水浴恒温振荡器(SHA-C)，101C-1型干燥箱，PP-15型pH计，分光光度计(721)，低速分离机(KDC-80)等.

1.3 实验方法

向容量为250 mL的高压聚乙烯瓶中加入初始浓度为C0的亚甲基蓝废水100 mL，用0.01 mol/L的NaOH或HCL调节溶液的pH，加入质量为M的污泥热解所产生的半焦，在频率为150 r/min一定温度下的水浴中振荡吸附，振荡后放入低速分离机进行离心分离[4].取出离心液在亚甲基蓝的最大吸收波长665 mm处测定其吸光度，通过吸光度在亚甲基蓝溶液的标准曲线中求的水溶液中浓度C1，通过公式(1)计算出脱色率(％).

脱色率(％)=(C0-C1)/C0×100％

(1)

2 结果与讨论

2.1 等温吸附平衡分析

取100 mL亚甲基蓝溶液在15、25、50、100、200、300 mL/L条件下加入1 g/L污泥半焦，20 ℃情况下在摇床里震荡1 h.平衡浓度C和吸附量X的关系如图1.由图1可以看出,随着亚甲基蓝浓度的增大，污泥半焦对其的吸附量也随之提高，这表明污泥半焦能够有效地吸附使亚甲基蓝脱色,但达到一定吸附量后反应逐步趋于稳定.

图1 平衡浓度和吸附量的关系

2.2 吸附等温线

分别采用Langmuir方程和Freundlich方程对试验数据进行拟合,Langmuir吸附等温方程为[5]:

X=XmCekL/(1+kLCe)

式中:Xm为饱和吸附量,mg/g;Ce为平衡质量浓度,mg/L;kL为吸附常数.

Freundlich吸附等温方程为[5]:

lgX=lgkF+1/nlgCe

式中:kF、1/n为与反应键能有关的经验常数,其中0<1/n<1.

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结果如表2所示，当1/n介于0.1～0.5之间时,表示吸附质易于被吸附[6],故亚甲基蓝易于被半焦吸附.

表2 吸附等温线模型拟合参数

由表2知,污泥半焦对亚甲基蓝的饱和吸附量分别为13.68 mg/g.Langmuir方程能够较好地拟合污泥半焦吸附过程.以上结果表明,污泥半焦对亚甲基蓝的吸附属于单分子层吸附.

2.3 吸附平衡时间的确定及吸附速率

2.3.1 吸附平衡时间的确定 向100 mL质量浓度为15 mg/L 的亚甲基蓝溶液中,按照1 g/L的投加量加入污泥半焦,在20 ℃下磁力搅拌,分别于5、10、15、30、60、120 min取样进行分析.其动力学曲线如图2所示.

图2 污泥半焦吸附去除亚甲基蓝动力学

由图2可以看出,反应初期污泥半焦对亚甲基蓝溶液快速吸附,随着时间的增加,亚甲基蓝的吸附容量达到平衡.污泥半焦的吸附平衡时间为30 min.

2.3.2 吸附速率 为了分析污泥半焦对亚甲基蓝的吸附速率,采用2种吸附动力学模型来对图2中的数据进行处理.

颗粒内扩散方程[7]:

q=kp×t0.5

(2)

准二级吸附动力学方程[8]:

t/qe=1/kqe2+t/qe

(3)

式(2)(3)中:qe为平衡吸附量,mg/g;qt为t时刻的吸附量,mg/g;k为二级吸附速率常数,g/(mg·h);kp为颗粒内扩散常数[mg/(g·min0.5)].

用上述2种动力学方程对图2实验所得q、t数据进行拟合得到的动力学曲线见图3、图4.

图3 颗粒内扩散动力学曲线

图4 准二级吸附动力学曲线

若亚甲基蓝溶液在污泥半焦上的吸附速率由颗粒内扩散控制,则q与t0.5的关系应该是一直线[8-9],而图3表明,亚甲基蓝溶液在半焦表面的吸附不能用颗粒内扩散方程来描述,说明颗粒内扩散不是该吸附的控制步骤.由准二级吸附动力学方程拟合出的方程为:t/q=0.113 3t+0.165 1,相关系数r=0.999 6,表明准二级吸附动力学方程能够反映亚甲基蓝在污泥半焦上的吸附机理,整个吸附过程包含了外部液膜扩散、颗粒内部扩散和表面吸附等[10],其准二级吸附速率常数k2=0.077 8 g/(mg·min).

2.4 污泥半焦吸附影响因素

2.4.1 温度的影响 取100 mL浓度(体积比)为15 mL/L亚甲基蓝溶液在摇床里震荡30 min，投加量为1 g/L，温度为别取10、20、30、40、50、60 ℃,考察溶液的温度对亚甲基蓝的去除率的影响,结果如图5所示.

图5 温度对吸附效果的影响

由图5可以看出,温度对半焦的吸附效果有很大影响,随着温度的升高,染料的吸附去除率缓慢增加,40 ℃时达到最佳,当温度进一步升高去除率则开始下降,通过试验,确定吸附温度为40 ℃.

2.4.2 pH值的影响 取100 mL浓度(体积比)为15 mL/L亚甲基蓝溶液在摇床里震荡30 min，投加量为1 g/L，调节pH分别为1.12、3.63、5.62、7.35、9.37、11.62,温度为40 ℃.考察溶液的pH值对亚甲基蓝去除率的影响,结果如图6所示.

图6 pH值对吸附效果的影响

由图6可知，溶液的pH对吸附的影响很大，脱色率随着初始pH的增加而提高.在碱性溶液中脱色率高的原因可能是污泥半焦中酸性官能团的影响，而本身污泥半焦在中性条件下吸附性能比较高，故溶液中H+的减少导致了脱色效率的升高.但考虑到碱性越大，调节pH的难度增大，容易影响溶液初始浓度，故最佳pH取11.

2.4.3 污泥半焦投加量的影响 质量浓度为15 mL/L亚甲基蓝溶液在摇床里震荡30 min，调解pH为11.投加量分别为0.5、1、15、2、2.5、3 g/L，温度为40 ℃,考察不同用量的污泥半焦对亚甲基蓝去除率的影响,结果如图7.

图7 投加量对吸附效果的影响

由图7可以看出,随污泥半焦投加量的增加,亚甲基蓝的去除率也增加,但当污泥半焦投加量超过2 g/L时,亚甲基蓝去除率增加趋于平缓,故取最佳投加量为2 g/L.

3 结 语

a.半焦具有一定的吸附性能是因为半焦的化学组成和结构特点决定的.污泥半焦对亚甲基蓝的吸附符合Langmuir等温式,表明半焦易于吸附亚甲基蓝,吸附属于单分子层吸附.准二级吸附动力学方程能够很好地描述亚甲基蓝在半焦上的吸附动力学行为.

b.污泥半焦对亚甲基蓝的吸附受pH值、半焦投加量、反应时间的影响,污泥最佳条件pH为11，投加量为2 g/L，温度40 ℃，在最佳条件下,吸附时间为30 min,污泥半焦对质量浓度为15 g/L的亚甲基蓝的脱色率89.79％.

c.试验证明利用污泥半焦去除亚甲基蓝是可行的,其具有成本低、工艺简单、以废治废等优点,对于废弃物的再利用及环境保护具有一定的参考价值.

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