污泥半焦對亞甲基藍的吸附

陳 穎，楊嘉謨，郭 萍，黃升謀

(武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北武漢430074)

0 引 言

污泥是城市污水處理廠的伴隨產物，隨著污水處理量增加，污泥量也在不斷增加.全國污水處理廠污泥的規范化處置率不到20％，而處理的方法主要是填埋，甚至有一些農戶將污泥直接拉到田里做有機肥，隨意大量施用污泥容易導致嚴重的環境和衛生風險[1].如何讓污泥二次利用又不產生大量的污染是目前我們所要研究的問題.染料廢水主要來源于染料和染料中間體生產及印染行業，染料廢水成分復雜、水質變化大、顏色深、難以生物降解，進入水體后影響水生植物的光合作用，從而破壞水中生態平衡，引起環境問題[2].本文采用對污泥進行熱裂解，熱解是在不向反應器

1 材料儀器與方法

1.1 原料

荊州市污水處理廠脫水后的污泥經650 ℃熱解所產生的半焦,使用前經110 ℃烘干2 h,過0.090 mm(170目)篩，其成分如表1所示.

表1 污泥的元素及工業分析

1.2 實驗試劑與儀器

實驗用水為蒸餾水，亞甲基藍(CP)，氫氧化鈉，鹽酸.水浴恒溫振蕩器(SHA-C)，101C-1型干燥箱，PP-15型pH計，分光光度計(721)，低速分離機(KDC-80)等.

1.3 實驗方法

向容量為250 mL的高壓聚乙烯瓶中加入初始濃度為C0的亞甲基藍廢水100 mL，用0.01 mol/L的NaOH或HCL調節溶液的pH，加入質量為M的污泥熱解所產生的半焦，在頻率為150 r/min一定溫度下的水浴中振蕩吸附，振蕩后放入低速分離機進行離心分離[4].取出離心液在亞甲基藍的最大吸收波長665 mm處測定其吸光度，通過吸光度在亞甲基藍溶液的標準曲線中求的水溶液中濃度C1，通過公式(1)計算出脫色率(％).

脫色率(％)=(C0-C1)/C0×100％

(1)

2 結果與討論

2.1 等溫吸附平衡分析

取100 mL亞甲基藍溶液在15、25、50、100、200、300 mL/L條件下加入1 g/L污泥半焦，20 ℃情況下在搖床里震蕩1 h.平衡濃度C和吸附量X的關系如圖1.由圖1可以看出,隨著亞甲基藍濃度的增大，污泥半焦對其的吸附量也隨之提高，這表明污泥半焦能夠有效地吸附使亞甲基藍脫色,但達到一定吸附量后反應逐步趨于穩定.

圖1 平衡濃度和吸附量的關系

2.2 吸附等溫線

分別采用Langmuir方程和Freundlich方程對試驗數據進行擬合,Langmuir吸附等溫方程為[5]:

X=XmCekL/(1+kLCe)

式中:Xm為飽和吸附量,mg/g;Ce為平衡質量濃度,mg/L;kL為吸附常數.

Freundlich吸附等溫方程為[5]:

lgX=lgkF+1/nlgCe

式中:kF、1/n為與反應鍵能有關的經驗常數,其中0<1/n<1.

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結果如表2所示，當1/n介于0.1～0.5之間時,表示吸附質易于被吸附[6],故亞甲基藍易于被半焦吸附.

表2 吸附等溫線模型擬合參數

由表2知,污泥半焦對亞甲基藍的飽和吸附量分別為13.68 mg/g.Langmuir方程能夠較好地擬合污泥半焦吸附過程.以上結果表明,污泥半焦對亞甲基藍的吸附屬于單分子層吸附.

2.3 吸附平衡時間的確定及吸附速率

2.3.1 吸附平衡時間的確定 向100 mL質量濃度為15 mg/L 的亞甲基藍溶液中,按照1 g/L的投加量加入污泥半焦,在20 ℃下磁力攪拌,分別于5、10、15、30、60、120 min取樣進行分析.其動力學曲線如圖2所示.

圖2 污泥半焦吸附去除亞甲基藍動力學

由圖2可以看出,反應初期污泥半焦對亞甲基藍溶液快速吸附,隨著時間的增加,亞甲基藍的吸附容量達到平衡.污泥半焦的吸附平衡時間為30 min.

2.3.2 吸附速率 為了分析污泥半焦對亞甲基藍的吸附速率,采用2種吸附動力學模型來對圖2中的數據進行處理.

顆粒內擴散方程[7]:

q=kp×t0.5

(2)

準二級吸附動力學方程[8]:

t/qe=1/kqe2+t/qe

(3)

式(2)(3)中:qe為平衡吸附量,mg/g;qt為t時刻的吸附量,mg/g;k為二級吸附速率常數,g/(mg·h);kp為顆粒內擴散常數[mg/(g·min0.5)].

用上述2種動力學方程對圖2實驗所得q、t數據進行擬合得到的動力學曲線見圖3、圖4.

圖3 顆粒內擴散動力學曲線

圖4 準二級吸附動力學曲線

若亞甲基藍溶液在污泥半焦上的吸附速率由顆粒內擴散控制,則q與t0.5的關系應該是一直線[8-9],而圖3表明,亞甲基藍溶液在半焦表面的吸附不能用顆粒內擴散方程來描述,說明顆粒內擴散不是該吸附的控制步驟.由準二級吸附動力學方程擬合出的方程為:t/q=0.113 3t+0.165 1,相關系數r=0.999 6,表明準二級吸附動力學方程能夠反映亞甲基藍在污泥半焦上的吸附機理,整個吸附過程包含了外部液膜擴散、顆粒內部擴散和表面吸附等[10],其準二級吸附速率常數k2=0.077 8 g/(mg·min).

2.4 污泥半焦吸附影響因素

2.4.1 溫度的影響 取100 mL濃度(體積比)為15 mL/L亞甲基藍溶液在搖床里震蕩30 min，投加量為1 g/L，溫度為別取10、20、30、40、50、60 ℃,考察溶液的溫度對亞甲基藍的去除率的影響,結果如圖5所示.

圖5 溫度對吸附效果的影響

由圖5可以看出,溫度對半焦的吸附效果有很大影響,隨著溫度的升高,染料的吸附去除率緩慢增加,40 ℃時達到最佳,當溫度進一步升高去除率則開始下降,通過試驗,確定吸附溫度為40 ℃.

2.4.2 pH值的影響 取100 mL濃度(體積比)為15 mL/L亞甲基藍溶液在搖床里震蕩30 min，投加量為1 g/L，調節pH分別為1.12、3.63、5.62、7.35、9.37、11.62,溫度為40 ℃.考察溶液的pH值對亞甲基藍去除率的影響,結果如圖6所示.

圖6 pH值對吸附效果的影響

由圖6可知，溶液的pH對吸附的影響很大，脫色率隨著初始pH的增加而提高.在堿性溶液中脫色率高的原因可能是污泥半焦中酸性官能團的影響，而本身污泥半焦在中性條件下吸附性能比較高，故溶液中H+的減少導致了脫色效率的升高.但考慮到堿性越大，調節pH的難度增大，容易影響溶液初始濃度，故最佳pH取11.

2.4.3 污泥半焦投加量的影響 質量濃度為15 mL/L亞甲基藍溶液在搖床里震蕩30 min，調解pH為11.投加量分別為0.5、1、15、2、2.5、3 g/L，溫度為40 ℃,考察不同用量的污泥半焦對亞甲基藍去除率的影響,結果如圖7.

圖7 投加量對吸附效果的影響

由圖7可以看出,隨污泥半焦投加量的增加,亞甲基藍的去除率也增加,但當污泥半焦投加量超過2 g/L時,亞甲基藍去除率增加趨于平緩,故取最佳投加量為2 g/L.

3 結 語

a.半焦具有一定的吸附性能是因為半焦的化學組成和結構特點決定的.污泥半焦對亞甲基藍的吸附符合Langmuir等溫式,表明半焦易于吸附亞甲基藍,吸附屬于單分子層吸附.準二級吸附動力學方程能夠很好地描述亞甲基藍在半焦上的吸附動力學行為.

b.污泥半焦對亞甲基藍的吸附受pH值、半焦投加量、反應時間的影響,污泥最佳條件pH為11，投加量為2 g/L，溫度40 ℃，在最佳條件下,吸附時間為30 min,污泥半焦對質量濃度為15 g/L的亞甲基藍的脫色率89.79％.

c.試驗證明利用污泥半焦去除亞甲基藍是可行的,其具有成本低、工藝簡單、以廢治廢等優點,對于廢棄物的再利用及環境保護具有一定的參考價值.

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