污泥陶粒對鎳離子的吸附規律研究

張杰　吳顯鵬　蘇會東

摘要：以污水處理廠產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燒結制備陶粒以及其對Ni²⁺的吸附規律。結果表明：陶粒對金屬離子的吸附量隨著時間增加而增加，Ni²⁺達到吸附平衡的時間為140min，相應的最大吸附量為0.001 64mg/g；熱力學研究結果表明：△G^θ>0，反應是非自發的過程；△H^θ<0，反應是放熱反應；△S^θ<0，Ni²⁺在陶粒上的吸附是熵減小過程，符合吸附交換理論。

關鍵詞：污泥陶粒；高溫燒結；吸附；熱力學

中圖分類號：TM911.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0008-03

在廢水厭氧生物處理過程中，微量金屬元素參與了酶的組成，是合成微生物細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合作用會降低其生物有效度，而過量投加則會對水體產生重金屬污染。近年來，我國經濟快速發展和城市人口增加城市污水處理廠的規模、數量都在日益增大，而在污水處理過程中將會產生大量的污泥，在這些剩余污泥中存有大量的有機質，病原菌及重金屬等有毒有害物質，如果不加以處理，將會導致對環境的二次污染和資源的浪費。用粉煤灰、污水廠污泥和粘土為原料，采用燒結法制備出陶粒，將金屬離子負載到陶粒中，使其緩慢釋放，既能滿足微生物生長需要又不會發生直接加入金屬鹽導致金屬離子濃度突然變化引起微生物中毒，克服常規微量金屬元素補給方法的缺陷。本實驗通過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，研究了污泥陶粒對金屬鎳的吸附規律。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

實驗材料：沈陽北部污水處理廠脫水污泥；工業飛翔粉煤灰；粘土。

實驗儀器：箱式電阻爐（上海躍進醫療設備廠）；PY500智能數字壓力控制器（支持佛山市電子儀器有限公司，佛山市，中國）；721型可見分光光度計（上海精華科技儀器有限公司）；HZ5-HA水浴振蕩器（哈爾濱市東聯電子技術開發有限公司）

1.2 污泥陶粒的制備

本實驗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，并把它放在一個燒杯中反復攪拌均勻，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，最后開箱使其自然冷卻。

1.3 陶粒對金屬離子的吸附規律研究

1.3.1 Ni²⁺的測試方法

本次實驗采用丁二酮肟分光光度法（GB/T11910-89）對金屬鎳離子進行了測定。

1.3.2 吸附實驗方法

準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，轉速90r/min，間隔一定時間取樣并分析溶液中金屬離子濃度。吸附量計算公式：

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。

吸附率計算公式：式中：η-吸附率，%。

2 實驗結果與討論

2.1 吸附時間下陶粒對Ni²⁺的吸附影響

取6個體積為150mL的錐形瓶，編號分別為1、2、3、4、5、6，每個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。按照編號依次振蕩吸附時間為15、30、60、90、120和150min時提取溶液測溶液中鎳離子的吸光度。通過公式算出鎳離子的吸附量和吸附率，結果如圖1。由圖1可知，當時間增長時，陶粒的吸附量和吸附率呈增大趨勢。在時間低于140min時，吸附量和吸附率隨時間的增長而增加，超過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，此時吸附率為7.78%。

2.2 溶液初始濃度下陶粒對Ni²⁺的吸附

取5個干凈的150mL錐形瓶，編號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方法測定并計算Ni²⁺的吸附量和吸附率，結果如圖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Ni²⁺的吸附。但當濃度升高到一定程度后，吸附量增加趨勢有所減緩，說明吸附漸趨于最大吸附量。

2.3 溫度對陶粒吸附Ni²⁺的影響

取5組150mL錐形瓶，編號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后提取溶液測溶液中鎳離子的吸光度。通過公式算出鎳離子的吸附量和吸附率，結果如圖3所示。

由圖3可知，溫度對陶粒的吸附量和吸附率有很大影響，當溫度不斷升高時，吸附量和吸附率均呈下降趨勢。根據Langmuir等溫線模型研究其機理，其公式為：

式中：C_e-金屬離子濃度，mg/L；

q_e-吸附量，mg/g；

q_n-最大飽和吸附量，g/g；

K_L-Langmmr平衡常數。

由數據以C_e/q_e。對C_e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Ni²⁺的吸附為放熱反應。

采用Langmuir等溫模型對試驗數據進行擬合，所得各參數列于表1。

由表1看出：污泥陶粒對Ni²⁺的吸附與Langmuir方程符合的很好（R²>0.99），說明反應為單層吸附。隨著溫度的升高，陶粒的最大飽和吸附量和Langmuir平衡常數隨之減小，這可以看出吸附屬放熱反應，降低溫度有利于反應的進行。通過熱力學函數公式計算：

△G^θ=-RTlnK_L

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

R-氣體常數；

T-溫度，K。

以K_L對1/T作圖擬合成一條直線，求得的熱力學參數如表2。

由表2可以看出，高溫燒結法燒制污泥陶粒對鎳離子的吸附反應△G^θ>0，△H^θ<0，反應為非自發的放熱反應，這與動力學結果一致，降低溫度有利于吸附反應進行；△S^θ<0，這符合吸附交換理論，即對于固-液交換吸附，溶質分子由液相吸附交換到固-液界面時會失去一些自由度（包括平動和轉動），這是熵減少的過程。

3 結論

以城市污水處理廠的濕污泥，工業粉煤灰，粘土為原料，采用高溫燒結法燒制污泥陶粒。陶粒吸附量隨著吸附時間增加而增大，污泥陶粒在140min左右吸附飽和，其最大吸附量為0.00164mg/g；當溶液溫度升高時，陶粒吸附量下降，吸附反應△G^θ>0，△H^θ<0，△S^θ<0，反應為非自發的放熱反應，符合吸附交換理論，降低溫度有利于陶粒對金屬離子的吸附。