凈水廠干鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附
重金屬Pb2+和Cu2+是工業(yè)廢水中的主要有毒污染物之一，不能自行分解，毒性很大。當排放到自然環(huán)境中時，它們會對動物、植物和水生生物造成持久的傷害。吸附法去除水中重金屬離子具有操作簡單、效率高、處理量大等優(yōu)點，并且吸附的重金屬污染物可以通過解吸回收利用，是一種很有前途的水處理方法。目前已有學者利用活性炭、生物炭、石墨烯、氧化鋁等材料吸附處理水中的重金屬，但這些材料制造和處理成本較高。因此，尋找廉價、穩(wěn)定的吸附材料成為吸附法去除水中重金屬的主要研究方向。
凈水污泥是凈水廠水處理過程中產生的化學污泥。主要由無機成分組成，主要含有土壤顆粒、金屬氫氧化物、腐殖質等物質。由于凈水廠的污泥含有大量的鋁離子，污泥表面有各種形狀和大小的孔洞，孔隙豐富，活性強，有許多活性吸附點。如果凈水廠的污泥可以作為吸附材料，不僅可以節(jié)省凈水廠的運行費用，還可以實現(xiàn)凈水廠污泥的環(huán)保處置。近年來，有學者利用凈水廠污泥吸附水中的磷和重金屬Cd2+，但對重金屬Pb2+和Cu2+的吸附研究較少。研究了污泥用量、pH值、Pb2+和Cu2+初始濃度、吸附時間和溫度對吸附效果的影響，并通過吸附等溫線、吸附動力學模型擬合和熱力學分析，探討了凈水廠干鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附特性。
一.材料和方法
1.1測試材料和儀器
實驗污泥取自太原某凈水廠，是凈水工藝中使用聚合氯化鋁(PAC)后，加入陰離子聚丙烯酰胺(PAM)形成的干化鋁污泥。將自然干燥的鋁泥餅拿到實驗室，研磨后立即在105℃下干燥1h，然后通過0.25mm的篩子進行深度研磨，然后裝入玻璃瓶中，密封并在室溫下保存?zhèn)溆谩?/p>
重金屬溶液的配制:將PbCl2(分析純)和CuCl2(分析純)分別溶解在超純水中，配制成一定濃度的Pb2+和Cu2+溶液。
測試儀器:DHZ-D恒溫振蕩器，蘇州培英實驗設備有限公司..DHG-9145A鼓風干燥箱、上海億恒科學儀器有限公司TAS-986原子吸收分光光度計、北京浦西通用儀器有限公司PHS-3EpH儀、上海儀電科學儀器有限公司BDPV-II-20P超級超純水機、南京全坤生物科技有限公司
1.2測試方法
將100毫升一定濃度的重金屬溶液置于250毫升錐形瓶中，并加入一定量的干燥鋁污泥。放入恒溫振蕩器中，控制一定的溫度。除非另有規(guī)定，溫度為(20±1)℃,以140轉/分鐘振蕩一定時間。取樣，用針式過濾器(0.45μm)過濾，測量濾液中重金屬的濃度。實驗過程中，用稀鹽酸和稀NaOH溶液調節(jié)pH值。每個實驗重復3次，取結果的平均值。
1.3分析方法
Pb2+和Cu2+的濃度通過直接注射火焰原子吸收光譜法測定[ASTM-D3559(Pb)，ASTM-D1688(Cu)]。
二。結果和討論
2.1干鋁污泥用量對吸附效果的影響
在Pb2+和Cu2+濃度分別為160 mg/L和100mg/L、溶液pH=4、吸附時間為6h的條件下，考察了干化鋁污泥投加量對吸附效果的影響。結果如圖1所示。
從圖1可以看出，隨著干化鋁污泥投加量的增加，Pb2+和Cu2+的去除率先逐漸增加，然后趨于平緩。污泥用量為0.14g時，Pb2+的去除率較高，達到83.57%，吸附量為95.51mg/g；污泥用量為0.10g時，Cu2+的去除率達到51.41%，吸附量為51.41mg/g。隨著污泥投加量的增加，吸附點的數(shù)量和表面積也同步增加，重金屬的去除率不斷提高，尤其是對Pb2+的吸附。隨著污泥用量的增加，污泥對Pb2+和Cu2+的吸附量逐漸降低。原因可能是隨著污泥投加量的增加，單位質量污泥的有效表面積減小，吸附量降低。本研究中污泥對重金屬吸附量大的原因可能是所用污泥中含有PAC和PAM。研究表明，無機混凝劑PAC和PAM聯(lián)用時，無機混凝劑的靜電力和PAM的橋聯(lián)吸附作用使水中形成的絮體顆粒間距變小，體積變大變密，從而增強了對水中重金屬的吸附效果。
2.2 the值對吸附效果的影響
在Pb2+和Cu2+的質量濃度分別為160 mg/L和100mg/L、干鋁污泥投加量為0.10g、吸附時間為6h的條件下，考察了pH對吸附效果的影響。結果如圖2所示。
從圖2中可以看出，隨著溶液pH值的增加，Pb2+和Cu2+的去除率和吸附量增加。當pH值達到9.0時，Pb2+的去除率達到98.17%，吸附量為157.07mg/g . Cu2+的去除率達到98.24%，吸附量為98.24 mg/g .當溶液pH值較低時，氫氧化鋁會在污泥表面發(fā)生質子化，大量H+積累在污泥表面，會與溶液中的Pb2+和Cu2+產生靜電排斥，阻礙Pb2+的吸附和當pH逐漸升高時，溶液中H+的濃度降低，污泥表面逐漸去質子化，表面正電荷逐漸減少，負電荷增加，與Pb2+和Cu2+的靜電引力增加。此外，當pH升高到一定程度時，溶液中的Pb2+和Cu2+以及OH-會生成氫氧化物沉淀，從而導致去除效率的提高。
2.3 Pb2+和Cu2+的初始濃度對吸附效果的影響
在干化鋁污泥投加量為0.10g、Pb2+和Cu2+溶液的pH值分別為5和4、吸附時間為6h的條件下，考察了Pb2+和Cu2+初始濃度對吸附效果的影響。結果如圖3所示。
從圖3可以看出，隨著Pb2+和Cu2+初始濃度的增加，Pb2+和Cu2+的去除率降低。當干燥鋁污泥的劑量保持不變時，吸附點的數(shù)量保持不變。當Pb2+和Cu2+的初始濃度較高時，吸附點不足，導致Pb2+和Cu2+的去除率下降。隨著Pb2+和Cu2+初始濃度的增加，吸附量先快速增加后緩慢下降。初始濃度是克服Pb2+和Cu2+在液相和固相之間傳質阻力的驅動力。當Pb2+和Cu2+的初始濃度較高時，溶液中Pb2+和Cu2+與污泥表面的濃度差較大，促進了溶液中Pb2+和Cu2+向污泥表面的移動，導致單位質量污泥的吸附量增加。
2.4吸附等溫線
當干化鋁污泥的用量為0.10克，Pb2+初始濃度為120、160、200、260和380毫克/升，Cu2+初始濃度為60、80、100、120和140毫克/升，Pb2+和Cu2+溶液的pH值分別為5和4，溫度為4。
從表1可以看出，干化鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附更符合Langmuir方程，說明干化鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附是單層吸附，干化鋁污泥表面的吸附點分布均勻。干化鋁污泥對水中Pb2+和Cu2+的較大吸附量(qm)為Pb2+>: Cu2+，qm隨溫度的升高而增大，說明干化鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附是一個吸熱反應。
2.5吸附動力學
在Pb2+和Cu2+的質量濃度分別為160 mg/L和100mg/L、干鋁污泥投加量為0.10g、Pb2+和Cu2+溶液的pH值分別為5和4、吸附時間為6h的條件下，考察了吸附量隨時間的變化。結果如圖4所示。采用Lagergren準一級動力學模型和準二級動力學模型對試驗數(shù)據進行擬合，相關參數(shù)見表2。
從圖4可以看出，干化鋁污泥對水中Pb2+和Cu2+的吸附速率在0~2h內很快，2h后基本達到吸附平衡。平衡時Pb2+的吸附量為138.20mg/g，Cu2+的吸附量為56.76mg/g。從表2中可以看出，準二級動力學模型能更準確地描述干化鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附，說明干化鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附主要是化學吸附。通過計算和驗證，平衡吸附量的理論值(qe)更接近實驗值。準二級動力學模型基于吸附速率受化學吸附機理控制的假設，涉及吸附劑和吸附質之間的電子共享或電子轉移。因此，干化鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附過程可分為三步:(1)Pb2+和Cu2+通過液膜從溶液中擴散到污泥顆粒表面。(2)Pb2+和Cu2+從污泥顆粒表面擴散到污泥顆粒內部。(3)Pb2+和Cu2+在污泥顆粒的活性部位發(fā)生化學反應。
2.6吸附熱力學
在Pb2+和Cu2+的質量濃度分別為160 mg/L和100mg/L，干鋁污泥投加量為0.10g，Pb2+和Cu2+溶液的pH值分別為5和4，溫度分別為20、30和40℃，吸附時間為6h的條件下，根據試驗結果進行熱力學分析。相關參數(shù)見表3。
從表3可以看出，分配系數(shù)Kd隨著溫度的升高而增大，說明溫度的升高有利于吸附反應。在實驗溫度下，污泥吸附Pb2+的△Gθ為-26.24~-21.16kJ/mol，污泥吸附Cu2+的△Gθ為-21.94~-17.24kJ/mol，均隨溫度的升高而逐漸降低，表明干鋁污泥吸附Pb2+和Cu2+的過程可以自發(fā)進行?！鱤θ& gt；說明吸附過程是一個吸熱反應?！鱯θ& gt；0，說明吸附反應是一個熵增反應，即吸附反應增加了污泥與重金屬溶液之間固液平面的無序度。
三。結論
(1)凈水廠干化鋁污泥對重金屬Pb2+和Cu2+具有良好的吸附性能，Pb2+和Cu2+的去除率隨著污泥投加量和pH的增加而增加，但隨著重金屬初始濃度的增加而降低。
(2)干化鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附更符合Langmuir吸附等溫模型，qm為Pb2+>;Cu2+和qm隨著溫度的升高而增大，說明干化鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附過程是吸熱反應。
(3)干化鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附動力學過程可用準二級動力學模型描述。吸附過程可分為液膜擴散、顆粒內擴散和化學吸附反應。
(4)吸附熱力學研究表明，干化鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附是一個自發(fā)的吸熱增熵反應。
(5)干燥后的鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附量大，吸附速度快，可作為含重金屬離子廢水的吸附劑。(來源:太原理工大學環(huán)境科學與工程學院)
免責聲明：本網站內容來源網絡，轉載是出于傳遞更多信息之目的，并不意味贊成其觀點或證實其內容真實性。轉載稿涉及版權等問題，請立即聯(lián)系網站編輯，我們會予以更改或刪除相關文章，保證您的權利。
標簽: 凈水廠干化鋁污泥對Pb2+和Cu2+的吸附