给水厂污泥吸附磷的动力学和热力学研究

程爱华，尹向辉，杨 磊

（信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安710054）

1 引言

磷是使水体富营养化的主要控制因子，有效去除磷，已成为防治水体富营养化的主要途径[1，2]。吸附法除磷可有效去除水中的磷，但由于常规吸附剂价格昂贵，处理成本高，所以对廉价、高效的吸附剂的开发已成为一个研究热点[3～5]。

给水厂污泥主要由悬浮物、胶体物质、有机物、微生物以及生产过程中加入的混凝药剂等组成，是一种多孔、大比表面的固体物质，可以用作吸附剂。本文对给水厂污泥吸附水中磷的性能进行了研究，探讨含磷废水低成本处理方法。

2 材料与方法

2.1 实验材料

给水厂污泥：取自西安市南郊水厂，于100℃ 烘干48h，研碎后用筛子筛分，得到粒径为60目的粉末。

实验配水：由于典型的生活污水中总磷含量在3～15mg/L（以磷计），且在废水除磷过程中，主要关注正磷酸盐的去除[6]。因此实验用水采用人工配制的正磷酸盐溶液，浓度为10.0mg/L（以磷计）。

2.2 实验仪器

SHA－B恒温振荡器，VIS－7220分光光度计，AB104－N分析天平，202A－1型恒温干燥箱。

2.3 实验方法

2.3.1 吸附动力学

移取6份50mL，10mg/L的正磷酸盐溶液于6个250mL锥形瓶中，分别称取3g给水厂干污泥依次加入锥形瓶中，pH值为6，于25℃的恒温振荡器中振荡，依次在不同的时间取出锥形瓶，过滤，采用磷钼蓝分光光度法测定磷含量。按式（1）和（2）计算去除率和吸附量。

式中C0、C分别为吸附前后磷的浓度，mg/L；v为原水体积，mL；m为给水厂干污泥用量，g。

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2.3.2 吸附等温线

分别将3g干污泥投入50mL浓度为1～25mg/L含磷溶液中，在25℃、30℃、40℃时振荡30min后过滤，取滤液，测定磷浓度。

3 结果与讨论

3.1 吸附动力学

给水厂污泥吸附磷的吸附量随时间的变化见图1。

从图1中可以看出，当反应时间为30min时，已经达到吸附饱和，此时去除率达93.35%，饱和吸附量为0.154mg/g。

采用Lagergren一级吸附速率方程和二级吸附速率方程对吸附过程进行拟合。拟合参数如表1所示。拟合公式如下。

Lagergren一级吸附速率方程的直线形式为：

式中qt为t时刻的吸附量，mg/g；k1为一级吸附速率常数，min－1；qe为平衡吸附量，mg/g。

Lagergren二级动力学模型的直线形式为：

表1 给水厂污泥吸附磷的动力学拟合参数

通过对比发现给水厂污泥对磷的吸附动力学符合Lagergren二级吸附动力学模型。其相关系数R2大于0.99，说明给水厂污泥对磷的吸附主要是以化学吸附为主。

3.2 吸附等温线

不同温度下的吸附等温线见图2。

图2 给水厂干污泥吸附磷的吸附等温线

由图2可以看到：吸附等温线开始时缓慢上升，即随着液相浓度的增加，吸附容量缓慢增长，在经过了某一浓度后，吸附等温线急速上升。

分别用Langmuir吸附等温式、Freundlich吸附等温式和BET吸附等温式进行拟合。

Langmuir吸附等温式：

式中Ce为吸附平衡时吸附质浓度，mg/L；qe为吸附剂的平衡吸附容量，mg/g；Q0为构成单分子层吸附时单位质量吸附剂的饱和吸附量，mg/g；b为与吸附能和吸附热有关的常数。

Freundlich吸附等温式：

式中KF和n为Freundlich中与吸附有关的常数。BET吸附等温式：

式中Cs为吸附质的饱和浓度，mg/L；qm、k为与吸附能和吸附热有关的常数。

分别用Langmuir、Freundlich、BET吸附等温式拟合，吸附常数见表2。

表2 给水厂干污泥吸附磷的平衡参数

由表2可知：Langmuir、BET的拟合参数中Q0、qm为负值，不符合实际情况，Freundlich方程拟合的效果较好。这表明给水厂干污泥对含磷废水的吸附行为符合Freundlich等温吸附模型。

3.3 吸附热力学

通过以下方程计算给水厂干污泥吸附磷的吸附自由能（ΔG），吸附焓（ΔH）和吸附熵（ΔS ）[7]。

式中R为热力学常数，8.314J·K－1·mol－1；T 为绝对温度，KF为Freundlich方程中的常数。

给水厂干污泥对含磷废水的吸附热力学参数见表3。

表3 给水厂干污泥吸附磷的吸附热力学参数

由表3可知：ΔH小于0，表明该吸附是放热过程；ΔG为负值，表明该吸附过程是自发进行的；ΔS为负值，说明该吸附过程发生以后，整个体系的混乱度变小了。

4 结语

给水厂污泥可吸附水中磷，吸附量可达0.154mg/g。吸附过程可用二级吸附动力学方程来描述，符合Freundlich等温吸附模型，说明给水厂污泥吸附磷主要是以化学吸附为主。通过热力学函数的估算，得到：ΔH 为－83.34kJ·mol－1，说明该吸附是放热过程；ΔG、ΔS均为负值，表明该吸附过程是自发进行的，吸附过程发生以后，整个体系的混乱度变小了。

[1]王凯军，贾立帮.城市污水生物处理新技术开发与应用[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]王桂芹.水体富营养化的原因、危害及防止对策[J].吉林农业大学学报：自然科学版，2000，22（专辑）：116～118.

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