改性海泡石对垃圾渗滤液吸附性能研究

王振宇，许朋朋，刘少敏

(1 北京化工大学生命科学与技术学院，北京 100029；2 安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)



改性海泡石对垃圾渗滤液吸附性能研究

王振宇1，许朋朋2，刘少敏2

(1 北京化工大学生命科学与技术学院，北京 100029；2 安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

通过制备以海泡石为载体的负载聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/海泡石吸附剂，研究PVP/海泡石对垃圾渗滤液的吸附作用。垃圾渗滤液经过初步处理后，在不同的浓度、pH、吸附剂投加量下测量吸附后的总有机碳，在不同的吸附时间点测量相应的总有机碳和化学需氧量。实验结果表明垃圾渗滤液的吸附最佳效果的条件为：PVP/海泡石投加量为0.12 g，pH为3，垃圾渗滤液稀释10倍时TOC单位降解量为10.04 mg/g，COD降解率为59.22%。

改性海泡石；渗滤液；吸附性能

城市垃圾堆放产生的渗滤液含有高COD，氨氮浓度较高，成分复杂，处理不当会危害人类身体健康。降雨和垃圾本身内涵水是其主要来源[1]。垃圾渗滤液中的有机物主要是由大分子的水溶性腐殖质，中等分子的灰黄霉酸类物质以及小分子的挥发性有机酸、水溶性腐殖质组成[2-3]。

海泡石是一种具有两层硅氧四面体,中间层为镁氧八面体的结构，这种特殊的结构决定了它极好的吸附性能[4]。作为一种天然的矿石被用来作为处理废水的研究对象，海泡石具有很好的吸附性能，海泡石价格低廉。但天然海泡石矿品位较低，杂质含量较高，且表面酸性弱、通道小、热稳定性不好，这些弱点限制了海泡石的应用。为了提高原海泡石的纯度，改变其表面酸性，加大两种空隙结构，使海泡石表面及内部都具有很有的吸附能力[5-6]，必须先对海泡石进行改性。

本文在研究垃圾渗滤液的降解中，利用改性后的海泡石作为吸附剂，探讨不同的反应浓度、pH、吸附剂投加量下的总有机碳，在不同的吸附时间点测量相应的总有机碳和化学需氧量，研究聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/海泡石对垃圾渗滤液吸附性能。

1 实 验

1.1 试剂和仪器

NRY2102双层大容量全温摇床，上海南荣实验设备有限公司；S-4800场发射扫描电子显微镜，日本日立高新技术公司；Nexus 470型FT-IR 光谱仪，美国Nicolet公司；TOC-VCPN，日本岛津公司；YHCA-100-标准COD消解器，北京绿野创能机电设备有限公司。

钛酸丁酯为化学纯。其它试剂均为分析纯。

1.2 改性海泡石的制备

1.2.1 海泡石的预处理

然后称取一定量海泡石样品置入烧杯中，加入适量的10%硝酸，然后在磁力搅拌器上搅拌2 h，静止4 h，离心去上清液，重加入适量去离子水和10%硝酸依上述实验进行三次，经真空泵抽滤和电热鼓风干燥箱110 ℃下干燥12 h，最后经研磨至粉末，经过筛后，得到粒径为100～150 μm的海泡石作为吸附剂载体。

1.2.2 海泡石的改性

将实验所制酸处理后的海泡石放入烧杯中，以去离子水与海泡石质量比15:1取适量的去离子水倒入烧杯中，得溶液A；向烧杯中加入一定量的PVP，加入适量的无水乙醇，搅拌均匀得到溶液B；将溶液B缓慢加入溶液A中，再加入0.1 M盐酸调节pH至2，再磁力搅拌4 h；经过静置、离心、抽滤和干燥，最后经研磨至粉末；然后在马弗炉中匀速加热至450 ℃煅烧4 h，冷却至室温后取出备用。

1.3 垃圾渗滤液吸附实验

在血清瓶中放入配置好的渗滤液和一定量负载PVP的海泡石，将所有装有渗滤液的瓶子放在摇床上震荡24小时后，取上清液5 mL，稀释至50 mL，经过膜过滤后用TOC分析仪测量TOC。垃圾渗滤液在预处理后，在不同的浓度和一定的pH、催化剂用量下测量吸附后的总有机碳，在不同的pH和一定量的浓度的渗滤液、催化剂用量下测量吸附后的总有机碳以及在不同的吸附剂用量和一定的渗滤液浓度、一定的pH条件下的吸附后的总有机碳。实验测量TOC的数据经下式处理后得到单位降解量。

2 结果与表征

2.1 吸附剂表征结果

2.1.1 吸附剂FT-IR分析

将改性前后的海泡石样品于红外灯照射下研磨，后在压片模具下压片，再置入样品窗口，进行红外扫描测定，如图1所示。

图1 改性前后 FT-IR表征图谱

从图1可看出整体上海泡石与PVP/海泡石多数红外吸峰对应同一波数，改性后的海泡石的理化性质基本没有改变。两者FT-IR光谱图在一些波数处不同，在波数3621-3689处，两者都检测到了吸收峰，表明两者都有游离和缔合的-OH，结合海泡石本身物质成分可知其中含有氢氧化镁。两者对比明显的是在波数2839-2927处，PVP/海泡石出现了明显的-CH3和-CH2收缩峰，这是PVP负载在海泡石的原因，1655 cm-1氢氧键弯曲振动峰增强，在1384～1425 cm-1处检测到了CH2-CH3的弯曲振动峰。在600～800 cm-1时，SDS/海泡石与纯化海泡石的红外光谱图相比较，956 cm-1处的Si-O桥间-Si吸收峰消失，表明了PVP/海泡石纯度较大，PVP负载通过表面负载以及与Si-O-Mg中的化学键作用形成新的改性物质[7]。

2.1.2 SEM分析

图2a为海泡石改性前的SEM图，存在着大量的微孔结构，多成管状。图2b中PVP负载在微孔及边缘和内部中，致使海泡石呈现紧密连接的凹凸不平的形貌，原来的规则的形状被取代，整个PVP/海泡石表面无规则，总表面积变大，吸附质的溶液渗透面积变大，可以增加吸附量。微孔结构的存在则有利于提高吸附质在戏附中的扩散速度，从而使得吸附体系快速达到平衡[8]。

图2 海泡石改性前、后SEM图

2.2 PVP/海泡石吸附实验

2.2.1 垃圾渗滤液起始浓度对吸附的影响

将原垃圾渗滤液过滤后分别稀释不同倍数，检测其相应的COD。将稀释倍数不同的垃圾渗滤液稀释液调至pH为3、5、7后进行摇床吸附实验，实验数据经处理后结果见图3。

图3 垃圾渗滤液不同初始浓度的TOC降解

由图3可看出，随着COD的浓度升高，垃圾渗滤液的TOC的单位降解量也升高，当垃圾渗滤液稀释50倍，COD为87 mg/L，pH为3时，单位降解量最低，为0.5348 mg/g。当垃圾渗滤液稀释10倍时，COD为452 mg/L，pH为3时，单位降解量最高，为10.04 mg/g。在稀释50倍时，垃圾渗滤液的物质浓度较低，PVP/海泡石的投加量太多，PVP/海泡石之间对于垃圾渗滤液的吸收形成一定的阻碍作用，而且物质浓度过低分散在溶液各处不易于PVP/海泡石的吸收。当稀释为30倍，垃圾渗滤液COD为154 mg/L，此时PVP/海泡石的浓度适中，影响以pH为主。当垃圾渗滤液稀释10倍时，COD为452 mg/L，PVP/海泡石可以充分吸收垃圾渗滤液中的物质，吸附量达到最大，TOC单位降解量达到最高。

2.2.2 PVP/海泡石投加量对吸附的影响

将原垃圾渗滤液过滤后分别稀释不同倍数，检测其相应的COD。将稀释倍数不同的垃圾渗滤液稀释液，分别加入0.01 g、0.04 g、0.08 g、0.12 g和0.20 g改性海泡石后进行摇床吸附实验，实验数据经处理后结果见图4。

图4 PVP/海泡石投加量对吸附的影响

如图4所示，在一般情况下垃圾渗滤液的TOC单位降解量随着PVP/海泡石的投加量先增加后减少，在垃圾渗滤液低浓度的时候随着PVP/海泡石投加量增加而减少。在COD为91 mg/L时，0.01 g的PVP/海泡石达到的单位降解量1.281 mg/g，而PVP/海泡石投加量为0.2 g时，单位降解量为1.081 mg/g，这与实验垃圾渗滤液起始浓度对吸附的影响结果一致。PVP/海泡吸附的同时带有负电，海泡石之间有相斥的作用从而影响吸附[9]。当垃圾渗滤液浓度较高时，PVP/海泡石吸附量未达到饱和，PVP/海泡石以吸附为主，PVP/海泡石在高浓度的垃圾渗滤液中更容易吸附溶液中的物质，所以降解率会增加，在PVP/海泡石为0.12 g时单位降解量达到最大，COD为428 mg/L时，降解率达到了8.600 mg/g。当达到吸附饱和后，PVP/海泡石之间就会由于同负负电荷相斥，吸附量降低，单位降解量减少。

2.2.3 不同pH对吸附的影响

将原垃圾渗滤液过滤后，然后将其稀释30倍将稀释倍数不同的垃圾渗滤液稀释液调至pH为3、5、7、9和11, 再分别加入0.01 g、0.04 g、0.08 g和0.12 g PVP/海泡石进行摇床吸附实验，实验数据经处理后结果见图5。

图5 pH对垃圾渗滤液吸附的影响

如图5所示，降解率随着pH的升高呈总体下降的趋势，在pH为7时，投加量0.04 g以上降解率基本稳定。当PVP/海泡石为0.12 g，pH为3时吸附量最大，降解率为59.22%。当PVP/海泡石的投加量为0.01 g，pH为11时，降解率为18.18%。pH低时，溶液中的氢离子较多会取代海泡石上的Ca2+、K+和Na+等其他阳离子，特别是脱除海泡石中引起骨架作用的Mg2+，致使海泡石中的Si-O-Mg-O-Mg-Si键断裂形成两个Si-OH键，使得海泡石更加的疏松，比表面积增大，空隙半径增加，PVP/海泡石的降解率提高[10]。

2.2.4 吸附动力学

将原垃圾渗滤液过滤后，然后将其稀释10倍，调节pH为3，在摇床上震荡不同时间后，其实验数据经处理得到图6中垃圾渗滤液TOC降解率与吸附时间的关系。然后再测垃圾渗滤液稀释10倍，初始COD为437.2 mg/L的渗滤液在pH为3，加入0.12 g PVP/海泡石后相应时段的COD，得到垃圾渗滤液COD降解率与吸附时间的关系。

图6 垃圾渗滤液的吸附动力学

如图6所示，在前3小时垃圾渗滤液的TOC与COD都迅速降低，从第5小时开始到第10小时，渗滤液的TOC与COD降解率升高，之后TOC与COD的降解率基本处于稳定状态。实验刚开始时，PVP/海泡石的吸附是表面吸附，表面空隙多，吸附能力强，吸附速度快，当表面吸附结束时，PVP/海泡石开始内部吸附，依靠着配位吸附与离子交换吸附缓慢吸附渗滤液中的物质，实验后期由于吸附时间较长且PVP/海泡石吸附已饱和，吸附的有机物质会从PVP/海泡石表面脱落，使得TOC与COD略微升高，但总体处于一种动态平衡的状态中。

3 结 论

XRD与FT-IR分析表明了改性后的海泡石的内部基本骨架改变，其中海泡石内部的Si-O-Mg减少，孔隙变多，吸附量增大。PVP/海泡石投加量为0.12 g，pH为3，垃圾渗滤稀释10倍时TOC降解率为10.04 mg/g，COD降解率为59.22%。PVP/海泡石的吸附是从表面开始，吸附速率较快，然后进行PVP/海泡石内部吸附，吸附速率较慢。

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Adsorbability of Landfill Leachate with Modified Sepiolite

WANGZhen-yu1,XUPeng-peng2,LIUShao-min2

(1 College of Life Science and Technology, Bejing University of Chemical Technology, Bejing 100029；2 School of Earth Science and Environmental Engineering, Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan 232001, China)

Adsorption of landfill leachate was studied by the use of carried polyvinylpyrrolidone (PVP) on sepiolite.After the primary treated landfill leachate, total organic carbon was measured at different concentrations, pH and adsorbent dosage and the corresponding TOC and COD was tested at different points in time.Experimental results showed that the adsorption of landfill leachate best conditions were as follows: PVP/sepiolite dosage was 0.12 g, pH value was 3, diluted 10-fold landfill leachate, the unit amount of TOC degradation was 10.04 mg/g, and COD degradation got a rate of 59.22%.

modified sepiolite; landfill leachate; absorbability

王振宇(1997-), 男, 本科生, 主要从事环境化学的研究。

刘少敏(1972-), 男, 教授, 主要从事环境化学、水处理方面的研究。

TQ610.9

A

1001-9677(2016)019-0108-04