凈水廠工藝廢水中污泥制備吸附劑及對(duì)水中Cr6+的吸附特性.pdf

1、廢物的資源化利用是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)課題。秉承可持續(xù)發(fā)展理念，利用廢物開發(fā)出資源節(jié)約型和環(huán)境友好型吸附材料，不但可變廢為寶，同時(shí)還能減輕廢物帶來(lái)的環(huán)境壓力，具有現(xiàn)實(shí)的意義。凈水廠生產(chǎn)廢水污泥(簡(jiǎn)稱凈水廠污泥)是凈水廠生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，有研究表明凈水廠污泥對(duì)水中污染物具有一定的吸附去除能力，但去除性能不高，而且應(yīng)用后回收困難。針對(duì)上述不足，本文選取了具有代表性的水庫(kù)源凈水廠的污泥作為吸附材料基質(zhì)，選擇熱-酸聯(lián)合改性法對(duì)凈水污泥進(jìn)行改性，

2、制備出高效能的改性污泥粉末吸附劑；另外，結(jié)合本研究選取的凈水廠污泥具有的特殊性質(zhì)，以凈水廠污泥為主要陶粒制備原料，建立一種新型的陶粒制備工藝。以Cr(VI)為吸附去除對(duì)象，考察改性污泥粉末吸附劑以及污泥陶粒吸附劑的吸附性能，構(gòu)建凈水廠污泥基吸附劑對(duì)Cr(VI)的吸附模型并探討吸附機(jī)理，為凈水廠污泥作為吸附材料的實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。
　　利用元素分析儀、比表面積分析儀、掃描電鏡-能譜聯(lián)用儀、X射線衍射儀、紅外光譜儀等分析

3、檢測(cè)技術(shù)，對(duì)改性前后污泥粉末和污泥陶粒的物化性質(zhì)進(jìn)行表征，通過(guò)靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)吸附柱實(shí)驗(yàn)考察改性前后污泥粉末以及污泥陶粒對(duì)模擬 Cr(VI)廢水的吸附性能，分析各因素對(duì)吸附過(guò)程的影響，探討和推斷吸附機(jī)理。利用響應(yīng)曲面法建立吸附優(yōu)化方程并對(duì)反應(yīng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
　　污泥粉末的最佳改性條件為400℃溫度下煅燒3 h，然后與2.5 mol/L的HCl溶液中混合3 h，固液比為1:1。利用靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究了改性前后污泥粉末對(duì)水中Cr(VI)的

4、去除性能，考察pH值、反應(yīng)時(shí)間、Cr(VI)的初始濃度、反應(yīng)溫度、投加量以及干擾離子等因素對(duì)吸附性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改性后污泥粉末對(duì)Cr(VI)的去除性能明顯增加。pH值在2.0-3.0范圍內(nèi)去除效果最佳，酸性條件下改性前污泥有腐殖酸類物質(zhì)溶出，能夠促進(jìn)污泥對(duì)Cr(VI)的去除；初始濃度和溫度增加對(duì)改性前后污泥吸附性能有提高作用；干擾離子存在會(huì)抑制污泥粉末對(duì)Cr(VI)的吸附去除過(guò)程。
　　改性前后污泥粉末對(duì)Cr(VI)吸附過(guò)程

5、可以用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合；Langmuir等溫吸附模型能較好地描述改性前污泥粉末的吸附過(guò)程，而Freundlich等溫吸附模型能較好地描述改性后污泥粉末的吸附過(guò)程；改性前后污泥粉末對(duì)Cr(VI)的吸附為吸熱過(guò)程，升溫有利于反應(yīng)的進(jìn)行，吸附后系統(tǒng)的無(wú)序性增加。吸附反應(yīng)的機(jī)理是溶液中HCrO4-受到靜電引力的作用附著在聚集正電荷的污泥粉末表面上，與污泥粉末表面的羥基組分發(fā)生配體交換反應(yīng)。
　　污泥陶粒的最優(yōu)制備條件為生料預(yù)處

6、理溫度500℃，預(yù)處理時(shí)間為20 min；最優(yōu)焙燒溫度為1050℃，焙燒時(shí)間為10 min；原料配比為60％：40%(含水污泥占原料質(zhì)量的60%，膨潤(rùn)土占原料質(zhì)量的40%)。分別利用靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)吸附柱實(shí)驗(yàn)考察污泥陶粒對(duì)水中Cr(VI)的去除性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)。pH值在4.5時(shí)去除效果最佳，對(duì)處理Cr(VI)廢水的pH值范圍較改性污泥粉末擴(kuò)寬1.5個(gè)單位。初始濃度和溫度增加對(duì)污泥陶粒吸附性能有提高作用；干擾離子存在會(huì)抑制污泥陶粒對(duì)Cr(VI

7、)的吸附去除過(guò)程。
　　陶粒對(duì)Cr(VI)的吸附過(guò)程可以用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合；Freundlich等溫吸附模型均能較好地描述等溫吸附過(guò)程，吸附反應(yīng)的機(jī)制是酸性條件下污泥陶粒表面發(fā)生質(zhì)子化作用，表面聚集正電荷，促進(jìn)了陶粒表面與HCrO4-離子之間的正負(fù)靜電引力，陶粒表面的活性官能團(tuán)-OH與Cr(VI)存在離子之間發(fā)生配位體交換。污泥陶粒對(duì)Cr(VI)的動(dòng)態(tài)吸附結(jié)果顯示，吸附過(guò)程受吸附柱填料高度，溶液的流速、濃度以及 pH影

8、響，在本實(shí)驗(yàn)條件下，動(dòng)態(tài)吸附的最佳參數(shù)為吸附柱填料高度10 cm，陶粒質(zhì)量為16.5 g，溶液的流速為10 mL/min，濃度為50 mg/L，pH為4.5。Thomas模型和Yoon-Nelson模型能夠很好的描述污泥陶粒對(duì)Cr(VI)的動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程，其模型擬合參數(shù)為污泥陶粒的實(shí)際應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)參考。
　　利用響應(yīng)曲面法構(gòu)建了改性污泥粉末以及污泥陶粒對(duì)Cr(VI)的吸附優(yōu)化方程，分析了改性污泥粉末與污泥陶粒去除 Cr(VI)過(guò)程

9、的主要影響因素(pH值、Cr(VI)初始濃度、反應(yīng)溫度)之間交互作用對(duì)去除性能的影響。發(fā)現(xiàn) pH值與初始濃度、pH值與溫度以及溫度與初始濃度之間的交互作用對(duì)吸附量存在顯著的影響；優(yōu)化方程對(duì)改性污泥粉末和污泥陶粒吸附六價(jià)鉻的反應(yīng)條件優(yōu)化以及吸附量預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確可靠，具有一定的指導(dǎo)意義。
　　綜上所述，凈水廠污泥基吸附劑對(duì)水中Cr(VI)的吸附效果顯著，能夠應(yīng)用于重金屬?gòu)U水處理。既實(shí)現(xiàn)了廢物資源化利用，又減輕了凈水廠污泥帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境