污泥-花生壳吸附颗粒对水中Pb2+的吸附特性研究

2019-06-05武雅琦耿鑫涛李沁洋来雪慧

山西化工 2019年2期

赵悦，武雅琦，耿鑫涛，李沁洋，张肖，来雪慧

(太原工业学院环境与安全工程系，山西太原 030008)

引言

含Pb2+废水对人类的生存和身体健康产生严重危害，研究经济高效的含Pb2+废水处理技术是环境工程专业的研究热点。对质量浓度低于100 mg/L的含Pb2+废水，采用常规的处理方法比较困难，且成本高，难以达到排放标准[1-2]。吸附法以其选择性高、吸附容量大、操作简便的优点成为处理含Pb2+废水的主要方法之一[3]。农林废弃物用于废水处理具有可再生、固液分离容易的特点，适用于低浓度废水处理。同时，农林废弃物资源的可再生性和成本低更成为其突出优点[4]。花生壳是花生加工过程中的废弃物，大部分当作燃料或废渣弃去，造成自然资源的极大浪费。近年来，国内外对花生壳的研究利用在热能、食品、化工和医药等领域已有报道，但是在废水处理方面的应用研究仍为数不多[5]。考虑到如果直接采用花生壳作为吸附材料，可能会有有色物质的溶出，影响处理后废水的色度[6]。因此，本研究以花生壳和污泥为原料，通过化学试剂改性的方法制备复合吸附剂，研究其对Pb2+的吸附性能，为花生壳在废水处理方面的实际应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料与测定方法

污泥取自太原市北郊污水处理厂，污泥和花生壳晾干后，在65 ℃下烘干4 h，粉碎机粉碎后备用。Pb2+浓度的测定采用二甲酚橙(XO)显色，十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)增溶增敏，通过分光光度法测定。通过实验发现，试剂空白的最大吸收波长为440 nm，Pb2+-XO-CTMAB显色体系的最大吸收波长为580 nm，因此实验选用580 nm为测定Pb2+的波长。

1.2 复合吸附颗粒的制备

取一定量的花生壳于烧杯中，用自来水浸泡4 h，再用去离子水清洗3遍，置于80 ℃烘箱中烘4 h。将烘干后的花生壳在破碎机中进行破碎，之后,研磨成花生壳粉末，过80目(0.178 mm)筛，过筛后的花生壳粉末放入烧杯中，再加入10%的NaOH溶液浸泡，直至花生壳粉末沉至杯底及溶液颜色为暗黄色时，将滤液过滤，滤渣烘干后储存于锥形瓶中待用。另外，取一定量活性污泥放入烘箱中在80 ℃下烘4 h，烘干后放入研钵中研磨，再过80目(0.178 mm)筛，过筛后的污泥储存在锥形瓶中待用。

将污泥和花生壳粉末以质量比为2∶1的比例混合(取污泥40 g，花生壳20 g)放入烧杯中，共3份。然后，按浸渍比为1∶3的比例分别加入质量分数为30%、40%、50%的氯化锌溶液搅拌，将污泥花生壳混合物活化(为了增大活性炭内部孔径)后，静置30 min。然后，将配置好的混合物分为5份，放入坩埚中，再把坩埚放入微波炉中进行高温热解，时间分别为40、50、60、70、80 min，热解后即得污泥花生壳吸附剂。

1.3 Pb2+的吸附实验

Pb2+吸附率和吸附量的计算公式,如式(1)～式(2)。

吸附率=(C0-C)/C0×100%

(1)

q=(C0-C)V/W×100%

(2)

式中：C0为吸附前溶液中目标污染物的质量浓度，mg·L-1；C为吸附后溶液中Pb2+的剩余质量浓度，mg·L-1；V为被处理溶液的体积，L；W为吸附剂的质量，g；q为吸附量，mg·g-1。

2 实验结果

2.1 吸附时间

取质量浓度为100 mg/L的Pb2+标准溶液2.0 mL于50 mL容量瓶中，依次加入pH值为5.4的六次甲基四胺缓冲溶液4.0 mL，2 g·L-1二甲酚橙(X0)溶液1.0 mL，2 g·L-1十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)溶液1.0 mL，用蒸馏水定容，摇匀；取6份5 mL Pb2+标准溶液于试管中，然后分别加入0.1 g吸附剂，振荡10 min，分别静置20、30、40、50、60、70 min，过滤取滤液。图1为不同吸附时间对吸附效果的影响。从图1可以看出，吸附率和吸附量随着吸附时间的增加而增加。当吸附时间为80 min时，吸附率为80.83%，吸附量为161.65 mg·g-1；吸附时间为30 min时，吸附率仅为50.78%，吸附量为101.55 mg·g-1。

图1 吸附时间对Pb2+吸附效果的影响

2.2 pH值

取质量浓度为100 mg/L的Pb2+标准溶液1.0 mL于6个25 mL容量瓶中，依次加入pH值为5.4的六次甲基四胺缓冲溶液4.0 mL，2 g/L二甲酚橙(X0)溶液1.0 mL，2 g/L十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)溶液1.0 mL，然后，分别加入1、2、3、4、5、6 mL的0.1 mol/L的盐酸，最后，用蒸馏水定容，摇匀；取6份5 mL Pb2+标准溶液于烧杯中，然后插入pH计，边摇边测量pH值，记录数据后，分别加入0.1 g吸附剂，振荡10 min，静置50 min，过滤取滤液。图2为污泥-花生壳吸附颗粒随pH值对Pb2+吸附性能的变化规律。由图2可以看出，pH在偏酸性条件下，吸附性能随着pH值的增加而增加。当pH为3.94时，吸附率仅为27.88%；当pH达到6.54时，吸附率为94.93%。pH值范围为4.00～5.67时，吸附率和吸附量随pH值增加速度较快，之后逐渐减慢。

图2 溶液pH值对Pb2+吸附效果的影响

2.3 初始质量浓度

分别移取质量浓度为100 mg/L的Pb2+标准溶0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 mL于25 mL容量瓶中，依次加入pH值为5.4的六次甲基四胺缓冲溶液4.0 mL，2 g·L-1二甲酚橙(X0)溶液1.0 mL，2 g·L-1十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)溶液1.0 mL，用蒸馏水定容，摇匀；取8份5 mL Pb2+标准溶液于试管中，然后，分别加入0.1 g吸附剂，振荡10 min，静置50 min，过滤取滤液。图3为Pb2+不同浓度对吸附效果的影响。从图3可以看出，随着Pb2+初始浓度的增加，污泥-花生壳吸附颗粒对Pb2+的吸附率减小，同样吸附量也随之减小。当质量浓度为0.8 mg·L-1时，吸附率为97.38%，吸附量为282.05 mg·g-1。当初始质量浓度达到6.4 mg·L-1时，吸附率为88.14%。