污泥陶粒对镍离子的吸附规律研究

张杰　吴显鹏　苏会东

摘要：以污水处理厂产生的脱水污泥和粉煤灰、粘土为原料，研究以适宜的配比混合高温烧结制备陶粒以及其对Ni²⁺的吸附规律。结果表明：陶粒对金属离子的吸附量随着时间增加而增加，Ni²⁺达到吸附平衡的时间为140min，相应的最大吸附量为0.001 64mg/g；热力学研究结果表明：△G^θ>0，反应是非自发的过程；△H^θ<0，反应是放热反应；△S^θ<0，Ni²⁺在陶粒上的吸附是熵减小过程，符合吸附交换理论。

关键词：污泥陶粒；高温烧结；吸附；热力学

中图分类号：TM911.4 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2017）01-0008-03

在废水厌氧生物处理过程中，微量金属元素参与了酶的组成，是合成微生物细胞不可或缺的一部分。直接投加微量金属元素盐类可以提供给微生物必要的微量金属元素，但水中的氢氧根和胶体的沉淀和络合作用会降低其生物有效度，而过量投加则会对水体产生重金属污染。近年來，我国经济快速发展和城市人口增加城市污水处理厂的规模、数量都在日益增大，而在污水处理过程中将会产生大量的污泥，在这些剩余污泥中存有大量的有机质，病原菌及重金属等有毒有害物质，如果不加以处理，将会导致对环境的二次污染和资源的浪费。用粉煤灰、污水厂污泥和粘土为原料，采用烧结法制备出陶粒，将金属离子负载到陶粒中，使其缓慢释放，既能满足微生物生长需要又不会发生直接加入金属盐导致金属离子浓度突然变化引起微生物中毒，克服常规微量金属元素补给方法的缺陷。本实验通过了以干污泥为主要原料，粉煤灰和粘土为配料制备高性能陶粒，研究了污泥陶粒对金属镍的吸附规律。

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

实验材料：沈阳北部污水处理厂脱水污泥；工业飞翔粉煤灰；粘土。

实验仪器：箱式电阻炉（上海跃进医疗设备厂）；PY500智能数字压力控制器（支持佛山市电子仪器有限公司，佛山市，中国）；721型可见分光光度计（上海精华科技仪器有限公司）；HZ5-HA水浴振荡器（哈尔滨市东联电子技术开发有限公司）

1.2 污泥陶粒的制备

本实验制作陶粒为手工制作，首先，研磨原料，筛选，然后按照不同的比例称量污泥，粉煤灰，粘土，并把它放在一个烧杯中反复搅拌均匀，缓慢滴

加蒸馏水混合原料。用手造粒得到圆粒陶粒，粒径4～6mm。把陶粒放到培养皿中，然后在烘箱中100℃下烘干。干燥后的陶粒装入陶瓷坩埚，并放置在箱式电阻炉中，在一定的温度条件下煅烧，最后开箱使其自然冷却。

1.3 陶粒对金属离子的吸附规律研究

1.3.1 Ni²⁺的测试方法

本次实验采用丁二酮肟分光光度法（GB/T11910-89）对金属镍离子进行了测定。

1.3.2 吸附实验方法

准确称取一定量的污泥陶粒放于150mL锥形瓶中，加入100mL一定浓度的镍离子溶液，将其放入恒温水浴振荡器中振荡吸附，控制一定温度，转速90r/min，间隔一定时间取样并分析溶液中金属离子浓度。吸附量计算公式：

式中：q-吸附量，mg/g；

C₀-原液金属离子浓度，mg/L；

C-吸附平衡金属离子浓度，mg/L；

V-体积，L；

m-陶粒投加量，g。

吸附率计算公式：式中：η-吸附率，%。

2 实验结果与讨论

2.1 吸附时间下陶粒对Ni²⁺的吸附影响

取6个体积为150mL的锥形瓶，编号分别为1、2、3、4、5、6，每个锥形瓶放入最佳工艺条件下烧制的陶粒5g，并分别向其中加入浓度为8mg/L的NiCl₂溶液100mL。按照编号依次振荡吸附时间为15、30、60、90、120和150min时提取溶液测溶液中镍离子的吸光度。通过公式算出镍离子的吸附量和吸附率，结果如图1。由图1可知，当时间增长时，陶粒的吸附量和吸附率呈增大趋势。在时间低于140min时，吸附量和吸附率随时间的增长而增加，超过140min后趋于平衡。由此可以看出，污泥陶粒在140min左右吸附饱和，其最大吸附量为0.00164mg/g，此时吸附率为7.78%。

2.2 溶液初始浓度下陶粒对Ni²⁺的吸附

取5个干净的150mL锥形瓶，编号1、2、3、4、5，分别称取最佳原料配比下烧制的陶粒5g，然后依次向其中加入Ni2+浓度为2.5、4.5、6.5、8.5mg/L和10.5mg/L的NiCl溶液100mL。按照方法1.3方法测定并计算Ni²⁺的吸附量和吸附率，结果如图2所示。

由图2可知，随着溶液浓度增大，吸附量逐渐升高，而吸附率却在不断减小。由此可知，高浓度溶液有助于陶粒的对Ni²⁺的吸附。但当浓度升高到一定程度后，吸附量增加趋势有所减缓，说明吸附渐趋于最大吸附量。

2.3 温度对陶粒吸附Ni²⁺的影响

取5组150mL锥形瓶，编号1、2、3、4、5，分别放入5g最佳工艺条件下烧制的陶粒，并分别向其中加入浓度为6mg/L的NiCl2溶液100mL。将其放入水浴振荡器中，分别控制温度30、35、40、45和50℃，140min后提取溶液测溶液中镍离子的吸光度。通过公式算出镍离子的吸附量和吸附率，结果如图3所示。

由图3可知，温度对陶粒的吸附量和吸附率有很大影响，当温度不断升高时，吸附量和吸附率均呈下降趋势。根据Langmuir等温线模型研究其机理，其公式为：

式中：C_e-金属离子浓度，mg/L；

q_e-吸附量，mg/g；

q_n-最大饱和吸附量，g/g；

K_L-Langmmr平衡常数。

由数据以C_e/q_e。对C_e作图，得图4，由图4可以看出随着温度的升高，陶粒的吸附量也是逐渐减小，因此初步判断污泥陶粒对Ni²⁺的吸附为放热反应。

采用Langmuir等温模型对试验数据进行拟合，所得各参数列于表1。

由表1看出：污泥陶粒对Ni²⁺的吸附与Langmuir方程符合的很好（R²>0.99），说明反应为单层吸附。随着温度的升高，陶粒的最大饱和吸附量和Langmuir平衡常数随之减小，这可以看出吸附属放热反应，降低温度有利于反应的进行。通过热力学函数公式计算：

△G^θ=-RTlnK_L

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

R-气体常数；

T-温度，K。

以K_L对1/T作图拟合成一条直线，求得的热力学参数如表2。

由表2可以看出，高温烧结法烧制污泥陶粒对镍离子的吸附反应△G^θ>0，△H^θ<0，反应为非自发的放热反应，这与动力学结果一致，降低温度有利于吸附反应进行；△S^θ<0，这符合吸附交换理论，即对于固-液交换吸附，溶质分子由液相吸附交换到固-液界面时会失去一些自由度（包括平动和转动），这是熵减少的过程。

3 结论

以城市污水处理厂的湿污泥，工业粉煤灰，粘土为原料，采用高溫烧结法烧制污泥陶粒。陶粒吸附量随着吸附时间增加而增大，污泥陶粒在140min左右吸附饱和，其最大吸附量为0.00164mg/g；当溶液温度升高时，陶粒吸附量下降，吸附反应△G^θ>0，△H^θ<0，△S^θ<0，反应为非自发的放热反应，符合吸附交换理论，降低温度有利于陶粒对金属离子的吸附。