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        污泥陶粒對(duì)鎳離子的吸附規(guī)律研究

        2017-07-10 22:43:16張杰吳顯鵬蘇會(huì)東
        當(dāng)代化工 2017年1期
        關(guān)鍵詞:吸附熱力學(xué)

        張杰 吳顯鵬 蘇會(huì)東

        摘要:以污水處理廠產(chǎn)生的脫水污泥和粉煤灰、粘土為原料,研究以適宜的配比混合高溫?zé)Y(jié)制備陶粒以及其對(duì)Ni2+的吸附規(guī)律。結(jié)果表明:陶粒對(duì)金屬離子的吸附量隨著時(shí)間增加而增加,Ni2+達(dá)到吸附平衡的時(shí)間為140min,相應(yīng)的最大吸附量為0.001 64mg/g;熱力學(xué)研究結(jié)果表明:△Gθ>0,反應(yīng)是非自發(fā)的過(guò)程;△Hθ<0,反應(yīng)是放熱反應(yīng);△Sθ<0,Ni2+在陶粒上的吸附是熵減小過(guò)程,符合吸附交換理論。

        關(guān)鍵詞:污泥陶粒;高溫?zé)Y(jié);吸附;熱力學(xué)

        中圖分類號(hào):TM911.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-0460(2017)01-0008-03

        在廢水厭氧生物處理過(guò)程中,微量金屬元素參與了酶的組成,是合成微生物細(xì)胞不可或缺的一部分。直接投加微量金屬元素鹽類可以提供給微生物必要的微量金屬元素,但水中的氫氧根和膠體的沉淀和絡(luò)合作用會(huì)降低其生物有效度,而過(guò)量投加則會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生重金屬污染。近年來(lái),我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市人口增加城市污水處理廠的規(guī)模、數(shù)量都在日益增大,而在污水處理過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生大量的污泥,在這些剩余污泥中存有大量的有機(jī)質(zhì),病原菌及重金屬等有毒有害物質(zhì),如果不加以處理,將會(huì)導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的二次污染和資源的浪費(fèi)。用粉煤灰、污水廠污泥和粘土為原料,采用燒結(jié)法制備出陶粒,將金屬離子負(fù)載到陶粒中,使其緩慢釋放,既能滿足微生物生長(zhǎng)需要又不會(huì)發(fā)生直接加入金屬鹽導(dǎo)致金屬離子濃度突然變化引起微生物中毒,克服常規(guī)微量金屬元素補(bǔ)給方法的缺陷。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)了以干污泥為主要原料,粉煤灰和粘土為配料制備高性能陶粒,研究了污泥陶粒對(duì)金屬鎳的吸附規(guī)律。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

        實(shí)驗(yàn)材料:沈陽(yáng)北部污水處理廠脫水污泥;工業(yè)飛翔粉煤灰;粘土。

        實(shí)驗(yàn)儀器:箱式電阻爐(上海躍進(jìn)醫(yī)療設(shè)備廠);PY500智能數(shù)字壓力控制器(支持佛山市電子儀器有限公司,佛山市,中國(guó));721型可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海精華科技儀器有限公司);HZ5-HA水浴振蕩器(哈爾濱市東聯(lián)電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司)

        1.2 污泥陶粒的制備

        本實(shí)驗(yàn)制作陶粒為手工制作,首先,研磨原料,篩選,然后按照不同的比例稱量污泥,粉煤灰,粘土,并把它放在一個(gè)燒杯中反復(fù)攪拌均勻,緩慢滴

        加蒸餾水混合原料。用手造粒得到圓粒陶粒,粒徑4~6mm。把陶粒放到培養(yǎng)皿中,然后在烘箱中100℃下烘干。干燥后的陶粒裝入陶瓷坩堝,并放置在箱式電阻爐中,在一定的溫度條件下煅燒,最后開(kāi)箱使其自然冷卻。

        1.3 陶粒對(duì)金屬離子的吸附規(guī)律研究

        1.3.1 Ni2+的測(cè)試方法

        本次實(shí)驗(yàn)采用丁二酮肟分光光度法(GB/T11910-89)對(duì)金屬鎳離子進(jìn)行了測(cè)定。

        1.3.2 吸附實(shí)驗(yàn)方法

        準(zhǔn)確稱取一定量的污泥陶粒放于150mL錐形瓶中,加入100mL一定濃度的鎳離子溶液,將其放入恒溫水浴振蕩器中振蕩吸附,控制一定溫度,轉(zhuǎn)速90r/min,間隔一定時(shí)間取樣并分析溶液中金屬離子濃度。吸附量計(jì)算公式:

        式中:q-吸附量,mg/g;

        C0-原液金屬離子濃度,mg/L;

        C-吸附平衡金屬離子濃度,mg/L;

        V-體積,L;

        m-陶粒投加量,g。

        吸附率計(jì)算公式:式中:η-吸附率,%。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 吸附時(shí)間下陶粒對(duì)Ni2+的吸附影響

        取6個(gè)體積為150mL的錐形瓶,編號(hào)分別為1、2、3、4、5、6,每個(gè)錐形瓶放入最佳工藝條件下燒制的陶粒5g,并分別向其中加入濃度為8mg/L的NiCl2溶液100mL。按照編號(hào)依次振蕩吸附時(shí)間為15、30、60、90、120和150min時(shí)提取溶液測(cè)溶液中鎳離子的吸光度。通過(guò)公式算出鎳離子的吸附量和吸附率,結(jié)果如圖1。由圖1可知,當(dāng)時(shí)間增長(zhǎng)時(shí),陶粒的吸附量和吸附率呈增大趨勢(shì)。在時(shí)間低于140min時(shí),吸附量和吸附率隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增加,超過(guò)140min后趨于平衡。由此可以看出,污泥陶粒在140min左右吸附飽和,其最大吸附量為0.00164mg/g,此時(shí)吸附率為7.78%。

        2.2 溶液初始濃度下陶粒對(duì)Ni2+的吸附

        取5個(gè)干凈的150mL錐形瓶,編號(hào)1、2、3、4、5,分別稱取最佳原料配比下燒制的陶粒5g,然后依次向其中加入Ni2+濃度為2.5、4.5、6.5、8.5mg/L和10.5mg/L的NiCl溶液100mL。按照方法1.3方法測(cè)定并計(jì)算Ni2+的吸附量和吸附率,結(jié)果如圖2所示。

        由圖2可知,隨著溶液濃度增大,吸附量逐漸升高,而吸附率卻在不斷減小。由此可知,高濃度溶液有助于陶粒的對(duì)Ni2+的吸附。但當(dāng)濃度升高到一定程度后,吸附量增加趨勢(shì)有所減緩,說(shuō)明吸附漸趨于最大吸附量。

        2.3 溫度對(duì)陶粒吸附Ni2+的影響

        取5組150mL錐形瓶,編號(hào)1、2、3、4、5,分別放入5g最佳工藝條件下燒制的陶粒,并分別向其中加入濃度為6mg/L的NiCl2溶液100mL。將其放入水浴振蕩器中,分別控制溫度30、35、40、45和50℃,140min后提取溶液測(cè)溶液中鎳離子的吸光度。通過(guò)公式算出鎳離子的吸附量和吸附率,結(jié)果如圖3所示。

        由圖3可知,溫度對(duì)陶粒的吸附量和吸附率有很大影響,當(dāng)溫度不斷升高時(shí),吸附量和吸附率均呈下降趨勢(shì)。根據(jù)Langmuir等溫線模型研究其機(jī)理,其公式為:

        式中:Ce-金屬離子濃度,mg/L;

        qe-吸附量,mg/g;

        qn-最大飽和吸附量,g/g;

        KL-Langmmr平衡常數(shù)。

        由數(shù)據(jù)以Ce/qe。對(duì)Ce作圖,得圖4,由圖4可以看出隨著溫度的升高,陶粒的吸附量也是逐漸減小,因此初步判斷污泥陶粒對(duì)Ni2+的吸附為放熱反應(yīng)。

        采用Langmuir等溫模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,所得各參數(shù)列于表1。

        由表1看出:污泥陶粒對(duì)Ni2+的吸附與Langmuir方程符合的很好(R2>0.99),說(shuō)明反應(yīng)為單層吸附。隨著溫度的升高,陶粒的最大飽和吸附量和Langmuir平衡常數(shù)隨之減小,這可以看出吸附屬放熱反應(yīng),降低溫度有利于反應(yīng)的進(jìn)行。通過(guò)熱力學(xué)函數(shù)公式計(jì)算:

        △Gθ=-RTlnKL

        lnKL=-△Hθ/(RT)+△Sθ/R式中:KL-angmuir平衡常數(shù)

        R-氣體常數(shù);

        T-溫度,K。

        以KL對(duì)1/T作圖擬合成一條直線,求得的熱力學(xué)參數(shù)如表2。

        由表2可以看出,高溫?zé)Y(jié)法燒制污泥陶粒對(duì)鎳離子的吸附反應(yīng)△Gθ>0,△Hθ<0,反應(yīng)為非自發(fā)的放熱反應(yīng),這與動(dòng)力學(xué)結(jié)果一致,降低溫度有利于吸附反應(yīng)進(jìn)行;△Sθ<0,這符合吸附交換理論,即對(duì)于固-液交換吸附,溶質(zhì)分子由液相吸附交換到固-液界面時(shí)會(huì)失去一些自由度(包括平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)),這是熵減少的過(guò)程。

        3 結(jié)論

        以城市污水處理廠的濕污泥,工業(yè)粉煤灰,粘土為原料,采用高溫?zé)Y(jié)法燒制污泥陶粒。陶粒吸附量隨著吸附時(shí)間增加而增大,污泥陶粒在140min左右吸附飽和,其最大吸附量為0.00164mg/g;當(dāng)溶液溫度升高時(shí),陶粒吸附量下降,吸附反應(yīng)△Gθ>0,△Hθ<0,△Sθ<0,反應(yīng)為非自發(fā)的放熱反應(yīng),符合吸附交換理論,降低溫度有利于陶粒對(duì)金屬離子的吸附。

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