陳 穎，楊嘉謨，郭 萍，黃升謀

(武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢430074)

0 引 言

污泥是城市污水處理廠的伴隨產(chǎn)物，隨著污水處理量增加，污泥量也在不斷增加.全國(guó)污水處理廠污泥的規(guī)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(nóng)戶(hù)將污泥直接拉到田里做有機(jī)肥，隨意大量施用污泥容易導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境和衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)[1].如何讓污泥二次利用又不產(chǎn)生大量的污染是目前我們所要研究的問(wèn)題.染料廢水主要來(lái)源于染料和染料中間體生產(chǎn)及印染行業(yè)，染料廢水成分復(fù)雜、水質(zhì)變化大、顏色深、難以生物降解，進(jìn)入水體后影響水生植物的光合作用，從而破壞水中生態(tài)平衡，引起環(huán)境問(wèn)題[2].本文采用對(duì)污泥進(jìn)行熱裂解，熱解是在不向反應(yīng)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(jīng)650 ℃熱解所產(chǎn)生的半焦,使用前經(jīng)110 ℃烘干2 h,過(guò)0.090 mm(170目)篩，其成分如表1所示.

表1 污泥的元素及工業(yè)分析

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水，亞甲基藍(lán)(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(jì)，分光光度計(jì)(721)，低速分離機(jī)(KDC-80)等.

1.3 實(shí)驗(yàn)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(lán)廢水100 mL，用0.01 mol/L的NaOH或HCL調(diào)節(jié)溶液的pH，加入質(zhì)量為M的污泥熱解所產(chǎn)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(jī)進(jìn)行離心分離[4].取出離心液在亞甲基藍(lán)的最大吸收波長(zhǎng)665 mm處測(cè)定其吸光度，通過(guò)吸光度在亞甲基藍(lán)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線中求的水溶液中濃度C1，通過(guò)公式(1)計(jì)算出脫色率(％).

脫色率(％)=(C0-C1)/C0×100％

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 等溫吸附平衡分析

取100 mL亞甲基藍(lán)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(guān)系如圖1.由圖1可以看出,隨著亞甲基藍(lán)濃度的增大，污泥半焦對(duì)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(lán)脫色,但達(dá)到一定吸附量后反應(yīng)逐步趨于穩(wěn)定.

圖1 平衡濃度和吸附量的關(guān)系

2.2 吸附等溫線

分別采用Langmuir方程和Freundlich方程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhì)量濃度,mg/L;kL為吸附常數(shù).

Freundlich吸附等溫方程為[5]:

lgX=lgkF+1/nlgCe

式中:kF、1/n為與反應(yīng)鍵能有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù),其中0<1/n<1.

日子一天天過(guò)去，阿巴又和從前一樣喜歡到沙灘上去畫(huà)船了，每一次海浪把他畫(huà)的船帶走的時(shí)候，他都是歡歡喜喜，像是送出了珍貴的禮物。阿巴學(xué)習(xí)上并沒(méi)有退步，尤其是默寫(xiě)，幾乎全是滿(mǎn)分……

結(jié)果如表2所示，當(dāng)1/n介于0.1～0.5之間時(shí),表示吸附質(zhì)易于被吸附[6],故亞甲基藍(lán)易于被半焦吸附.

表2 吸附等溫線模型擬合參數(shù)

由表2知,污泥半焦對(duì)亞甲基藍(lán)的飽和吸附量分別為13.68 mg/g.Langmuir方程能夠較好地?cái)M合污泥半焦吸附過(guò)程.以上結(jié)果表明,污泥半焦對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附屬于單分子層吸附.

2.3 吸附平衡時(shí)間的確定及吸附速率

2.3.1 吸附平衡時(shí)間的確定 向100 mL質(zhì)量濃度為15 mg/L 的亞甲基藍(lán)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(jìn)行分析.其動(dòng)力學(xué)曲線如圖2所示.

圖2 污泥半焦吸附去除亞甲基藍(lán)動(dòng)力學(xué)

由圖2可以看出,反應(yīng)初期污泥半焦對(duì)亞甲基藍(lán)溶液快速吸附,隨著時(shí)間的增加,亞甲基藍(lán)的吸附容量達(dá)到平衡.污泥半焦的吸附平衡時(shí)間為30 min.

2.3.2 吸附速率 為了分析污泥半焦對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附速率,采用2種吸附動(dòng)力學(xué)模型來(lái)對(duì)圖2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程[7]:

q=kp×t0.5

(2)

準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)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(shí)刻的吸附量,mg/g;k為二級(jí)吸附速率常數(shù),g/(mg·h);kp為顆粒內(nèi)擴(kuò)散常數(shù)[mg/(g·min0.5)].

用上述2種動(dòng)力學(xué)方程對(duì)圖2實(shí)驗(yàn)所得q、t數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的動(dòng)力學(xué)曲線見(jiàn)圖3、圖4.

圖3 顆粒內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)曲線

圖4 準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)曲線

若亞甲基藍(lán)溶液在污泥半焦上的吸附速率由顆粒內(nèi)擴(kuò)散控制,則q與t0.5的關(guān)系應(yīng)該是一直線[8-9],而圖3表明,亞甲基藍(lán)溶液在半焦表面的吸附不能用顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程來(lái)描述,說(shuō)明顆粒內(nèi)擴(kuò)散不是該吸附的控制步驟.由準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程擬合出的方程為:t/q=0.113 3t+0.165 1,相關(guān)系數(shù)r=0.999 6,表明準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程能夠反映亞甲基藍(lán)在污泥半焦上的吸附機(jī)理,整個(gè)吸附過(guò)程包含了外部液膜擴(kuò)散、顆粒內(nèi)部擴(kuò)散和表面吸附等[10],其準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù)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(lán)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(duì)亞甲基藍(lán)的去除率的影響,結(jié)果如圖5所示.

圖5 溫度對(duì)吸附效果的影響

由圖5可以看出,溫度對(duì)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(shí)達(dá)到最佳,當(dāng)溫度進(jìn)一步升高去除率則開(kāi)始下降,通過(guò)試驗(yàn),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(lán)溶液在搖床里震蕩30 min，投加量為1 g/L，調(diào)節(jié)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(duì)亞甲基藍(lán)去除率的影響,結(jié)果如圖6所示.

圖6 pH值對(duì)吸附效果的影響

由圖6可知，溶液的pH對(duì)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(tuán)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(dǎo)致了脫色效率的升高.但考慮到堿性越大，調(diào)節(jié)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(zhì)量濃度為15 mL/L亞甲基藍(lán)溶液在搖床里震蕩30 min，調(diào)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(duì)亞甲基藍(lán)去除率的影響,結(jié)果如圖7.

圖7 投加量對(duì)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(lán)的去除率也增加,但當(dāng)污泥半焦投加量超過(guò)2 g/L時(shí),亞甲基藍(lán)去除率增加趨于平緩,故取最佳投加量為2 g/L.

3 結(jié) 語(yǔ)

a.半焦具有一定的吸附性能是因?yàn)榘虢沟幕瘜W(xué)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的.污泥半焦對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附符合Langmuir等溫式,表明半焦易于吸附亞甲基藍(lán),吸附屬于單分子層吸附.準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程能夠很好地描述亞甲基藍(lán)在半焦上的吸附動(dòng)力學(xué)行為.

b.污泥半焦對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附受pH值、半焦投加量、反應(yīng)時(shí)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(shí)間為30 min,污泥半焦對(duì)質(zhì)量濃度為15 g/L的亞甲基藍(lán)的脫色率89.79％.

c.試驗(yàn)證明利用污泥半焦去除亞甲基藍(lán)是可行的,其具有成本低、工藝簡(jiǎn)單、以廢治廢等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于廢棄物的再利用及環(huán)境保護(hù)具有一定的參考價(jià)值.

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