Cu2+在污泥灰改良粘土垫层中吸附规律的研究

邢百会，何 翔

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)

Cu2+在污泥灰改良粘土垫层中吸附规律的研究

邢百会，何 翔

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)

在传统压实粘土垫层中掺入3%、5%、7%(相对于粘土干质量)化学改性污泥灰，探讨通过化学改性污泥灰来改良垃圾填埋场压实粘土垫层的可能性。通过等温吸附实验对Cu(Ⅱ)的吸附能力进行了研究。结果表明：污泥灰的掺入大大提高了样品的饱和吸附容量，Cu(Ⅱ)吸附能力明显增强。污泥灰掺入量从3%变化到7%时，Cu(Ⅱ) 的饱和吸附容量分别提高了9.52%、14.74%、27.77%。

污泥灰；粘土垫层；吸附

1 引言

铜离子及其化合物是环境污染水体中普遍存在的有毒重金属，也是渗滤液中是最为常见的重金属离子之一[1-3]。随着冶金，金属加工业及机器生产业的迅猛发展，工业产生的废水量不断增加，含铜废水含量不断上升[4]。因此，在进行填埋场阻滞研究中铜离子是必需考虑的问题之一。

压实粘土垫层对防止渗滤液污染环境具有重要作用，所以对压实粘土垫层有一定的要求，既要保证压实到一定的含水量和干密度以得到较低的渗水率，又要在抗剪强度方面有较好的力学性能[5-7]。工程中大多都通过增加黏土层的厚度达到防止重金属例子渗透的要求，所以寻找一种节省能源的材料尤为重要。污泥灰中含有大量有毒有害及致癌物质，而且产量巨大，工程应用由于本身的特性受到严重的限制，关于污泥灰工程应用的研究，国内外都颇为少见[8-10]。因此，使用污泥灰来改良压实粘土垫层，不但为污泥灰的综合利用提供一个途径，而且还能使粉煤灰变废为宝、变害为利。

本文使用化学改性的污泥灰作为改良剂，对垃圾填埋场压实粘土垫层进行改良。通过吸附试验判断使用化学改性污泥灰来改良垃圾填埋场压实粘土垫层的可行性。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

研究中所使用的粘土取自武汉市东西湖地区，未受到重金属离子的污染，黏土颗粒分布曲线如图1所示。污泥样品取自武汉市第二污水处理厂，在使用污泥样品前先过滤毛发及大块物料等杂物，过滤结束后将新鲜样品放入温度为4 ℃的冰箱中，以防止细菌及病毒滋生。按照下列步骤将污泥制备成污泥灰：(1)在105 ℃温度烘干72小时。(2)取出烘干的试样，放入高温电炉中在850 ℃温度下焚烧48小时。(3)焚烧后的污泥灰结块比较严重，将焚烧后的污泥灰用球磨机研磨，研磨后过100目标准筛，将污泥样品制成污泥灰。试验中的重金属Cu(Ⅱ)所用试剂为Cucl2等级为分析纯。

图1 粘土颗粒分布曲线

2.2 试验方法

静态吸附结果的测定采用Batch试验的方法。试验的步骤如下所示：(1)制备1000 mg/L的重金属Cu(Ⅱ)溶液备用；(2)将备用溶液分别稀释到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)称取一定质量的吸附剂倒入盛有溶液的锥形瓶中，保证吸附剂的固液比为100 g/L；(4)将锥形瓶置于恒温摇床中，速度设置为200 rpm，温度设置为303 K，振荡时间24 h；(5)取下部土体在离心速度为4000 rpm的情况下，离心10 min。(6)取上部清液用日立Z-2000型(火焰/石墨一体机)原子吸收光谱仪测定上部清夜的重金属的浓度。

3 等温吸附试验

3.1 基本理论

为了研究Cu(Ⅱ)在衬垫系统材料中的吸附特性，采用Henry，Freundlich及Langmuir三种模型对试验数据进行拟合。三种等温吸附模型如下所示：

Henry：

Cs=kdCe

(1)

式中，Cs为平衡吸附量；Ce为平衡浓度；kd为吸附分配吸附。

Freundlich 吸附

(2)

式中，kf为分配系数；nf为Freundlich指数。

Langmuir 吸附

(3)

式中，b,qm为吸附参数。

在拟合过程中，用R2(相关系数)来检验拟合方程的显著性；R2越大,模型越优。其中R2的公式如(4)所示：

(4)

3.2 试验结果及分析

通过实验发现，试样对重金属的吸附是一个快速的过程，在一个小时的时间内基本达到稳定。通过实验数据可以得出，当重金属浓度较低时，衬垫系统材料对重金属离子的平衡吸附量快速增加，但随着初始浓度的逐渐增加，衬垫系统材料对重金属离子的平衡吸附量的增加速度变缓；刘俊涛等[11]对这种现象进行了相应的报道，认为在低浓度条件下，吸附材料的吸附主要与重金属离子的初始浓度有关，吸附刚开始的阶段，吸附材料的吸附点位(功能团)较多，所以大部分的重金属离子被吸附，与吸附材料本身的物理化学性质关系不大，吸附主要以专性吸附为主；但随着重金属浓度的增加，吸附点位饱和，吸附点位相对减少，此时非专性吸附的能力加以体现，从而导致不同的吸附剂材料对不同重金属离子的吸附能力差异逐渐显现。黏土、3%污泥灰、5%污泥灰和7%污泥灰吸附数据使用三种模型进行拟合如图2、图3、图4、图5所示。

图2 不同模型对黏土吸附数据的拟合结果

图3 不同模型对3%污泥灰吸附数据的拟合结果

图4 不同模型对5%污泥灰吸附数据的拟合结果

图5 不同模型对7%污泥灰吸附数据的拟合结果

从图2、图3、图4、图5可以看出Langmuir模型对吸附试验数据的拟合效果最好，R2值在0.97-0.99之间。说明黏土、3%污泥灰、5%污泥灰和7%污泥灰对Cu(Ⅱ)的吸附符合Langmuir模型。

Langmuir模型有两个吸附参数，分别为最大吸附量(qm)及平衡解离常数(b)。饱和吸附容量(qm)的物理意义是吸附剂材料最大吸附量，反应吸附剂的吸附能力；平衡解离常数b的物理意义为处于平衡状态时AB的解离程度，b越大说明解离越多，代表AB之间亲和力越弱，b越小说明解离越少，代表AB间亲和力越强。通过Langmuir拟合得出Langmuir模型有两个吸附参数，过程如图6所示。

图6 Cu(Ⅱ)在不同试样中的等温吸附曲线

从图6可以看出Cu(Ⅱ)在不同衬里土料中的等温吸附曲线是不同的。污泥灰掺入量为3%时，最大吸附量为497.71 mg/kg。污泥灰掺入量为5%时，最大吸附量526.19 mg/kg。污泥灰掺入量为7%时，最大吸附量为597.31 mg/kg。即污泥灰掺入量从3%变化到7%，Cu(Ⅱ) 的饱和吸附容量分别提高了9.52%、14.74%、27.77%。污泥灰掺入量为3%时，平衡解离常数0.027。污泥灰掺入量为5%时，平衡解离常数为0.0311。污泥灰掺入量为7%时，平衡解离常数为0.034。即Cu(Ⅱ) 的平衡离解常数分别增加了35.68%、56.28%、70.85%。

4 结论

在传统压实粘土垫层中掺入3%、5%、7%(相对于粘土干质量)的化学改性污泥灰，探讨通过化学改性污泥灰来改良垃圾填埋场压实粘土垫层的可能性。通过吸附试验，研究Cu(Ⅱ)在污泥灰改良垫层中的吸附规律得出以下结论：

(1)垫层材料对Cu(Ⅱ)吸附是一个快速的过程，在15min内基本达到稳定。

(2)所有试样对Cu(Ⅱ)的吸附过程，都可以用Langmuir模型来表征。

(3)掺入污泥灰提高了垫层对Cu(Ⅱ)的最大吸附量，说明加入污泥灰来提高垫层对重金属的吸附能力是可行的。

(4)掺入污泥灰后平衡解离常数增加，说明吸附的重金属离子存在解吸的可能性，其应用效果还需进一步考证。

[1] 彭永臻, 张树军, 郑淑文,等.城市生活垃圾填埋场渗滤液生化处理过程中重金属离子问题[J].环境污染治理技术与设备,2006,7(1):1-5.

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[5] 张金池,姜姜,朱丽珺,等.黏土矿物中重金属离子的吸附规律及竞争吸附[J].生态学报, 2007,27(9):3811-3819.

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[9] 马学文,翁焕新,章金骏.中国城市污泥重金属和养分的区域特性及变化[J].中国环境科学, 2011,31(8):1306-1313.

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[11] 刘俊涛.淀粉基吸附材料的制备及其对重金属离子吸附性能的研究[D].兰州:兰州大学,2013.

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.

邢百会(1994-),女,硕士研究生,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