改性污泥对Cr(VI)吸附性能的研究

2020-10-26武家玉

四川化工 2020年5期

武家玉

(太原工业学院环境与安全工程系，山西太原，030008)

1 前言

由于铬及其化合物在工业生产中的应用，含铬废水被大量排放[1]。Cr(VI)毒性非常强[2]，其毒性严重影响到人体内物质氧化，危害人类的生命健康。生活污水不断增加，污水处理厂将废水处理后，都会产生大量的剩余污泥，污泥填埋可能会使污泥中的水分会渗漏到地下水，而污泥焚烧则会产生大量的有害物质[3]。污泥的综合利用成为解决这一问题的关键，将其制备为活性炭便是方法之一[4]。然而污泥中含有大量的有机物，吸附能力会受到限制，需要对其进行改性处理，实现废物的有效利用[5-7]。因此，本文以脱水污泥为原料，使用氯化锌化学活化法制备污泥活性炭，再用硝酸对污泥活性炭进行改性处理，研究了改性污泥活性炭的制备方法及去除废水中Cr(VI)的最佳条件。

2 材料与方法

2.1 材料

实验所用污泥为污水净化厂脱水污泥。所用试剂氯化锌(天津市北辰方正试剂厂)、硝酸(天津市振兴化工试剂酸厂)、重铬酸钾(西安化学试剂厂)、丙酮(天津市申泰化学试剂有限公司)和二苯碳酰二肼(天津市光复精细化工研究所)等均为分析纯。

2.2 实验方法

2.2.1 污泥活性炭的制备

将脱水污泥在105 ℃下烘干12 h，磨成粉末状，过60目筛后放在药品袋中置干燥处备用。取一定量上述处理好的干燥污泥粉末，加入3.0 mol/L的ZnCl2，在水浴锅(85℃)中浸泡3 h，过滤，马弗炉中进行活化，活化温度为500 ℃，活化时间90 min。活化后，使用盐酸进行多次冲洗，再用去离子水多次冲洗，直到中性，105℃烘干，过筛备用。

2.2.2 改性污泥活性炭的制备

取一定量污泥活性炭置于5.0 mol/L的硝酸溶液中，煮沸90 min，冷却后，用去离子水冲洗至中性，过滤，105℃烘干后进行研磨，过80目筛备用。

2.2.3 吸附实验

称取一定量制得的改性污泥活性炭置于250 mL锥形瓶中，加入Cr(VI)溶液。在一定温度的气浴恒温振荡器中振荡一段时间，静置，取上清液，使用二苯碳酰二肼分光光度法测定溶液中Cr(VI)浓度，再由下式求出其去除率：

(1)

式(1)中：E：去除率(%)；C0：吸附前溶液中Cr(VI)的浓度(mg/L)；Ce：吸附后溶液中Cr(VI)的浓度(mg/L)。

3 结果与讨论

3.1 最佳改性污泥投加量的确定

改性污泥投加量对吸附Cr(VI)的影响如图1所示。由图1可知，Cr(VI)浓度随着改性污泥投加量的增加呈现先上升后下降的趋势。这是由于随着吸附剂的投加量增加，吸附位点增加，溶液中大量的Cr(VI)离子会被改性污泥吸附，使得去除率在增大。当改性污泥投加量为0.4 g时，去除率达到最高值98.3%，然而投加量继续增大，Cr(VI)离子在吸附表面的扩散速度会变慢，吸附表面单位面积的去除率会降低。因此，改性污泥活性炭吸附剂的最佳投加量应为0.4g。

图1 改性污泥投加量与Cr(VI)去除率的关系图

3.2 最佳Cr(VI)溶液初始浓度的确定

Cr(VI)溶液初始浓度对Cr(VI)去除率的影响如图2所示。Cr(VI)溶液初始浓度较低时，去除率曲线呈现上升阶段，当Cr(VI)溶液初始浓度为5.0 mg/L时，去除率达到98%，这是因为浓度较低时，改性污泥活性炭吸附位点较多，吸附容易进行。而随着Cr(VI)溶液浓度的增大，吸附表面吸附位点会逐渐减少，同时溶液也会很快达到饱和状态[8]，去除率下降。因此Cr(VI)的初始浓度为5.0mg/L时，为最佳吸附浓度。

图2 Cr(VI)溶液初始浓度与Cr(VI)去除率的关系图

3.3 最佳吸附时间的确定

吸附时间对Cr(VI)去除率的影响如图3所示。开始吸附时，曲线幅度变化比较大，60 min后，曲线逐渐趋于平缓。在刚开始吸附时，Cr(VI)还未被吸附，此时Cr(VI)浓度比较大，与改性污泥浓度相比，两者浓度相差较大，而吸附剂表面就会有很多的吸附位点会通过静电引力去吸附Cr(VI)，去除率也就会大幅度变化。吸附反应进行60 min时，去除率为97.3%，吸附时间继续增加，改性污泥表面的吸附位点会在不断减少，吸附驱动力减弱，就会导致吸附率下降，因此最佳吸附时间为60 min。

图3 吸附时间与Cr(VI)去除率的关系图

3.4 最佳反应温度的确定

反应温度对Cr(VI)去除率的影响如图4所示。由图4可知，温度在25-30℃之间，去除率在逐渐地上升，去除率为95.6%，基本处于稳定阶段。温度增加，去除率下降，因为该反应为放热反应，温度增加阻碍吸附的进行。整体而言，反应温度的变化对于去除率的影响不大，因此，反应的最佳温度为室温即可。

图4 反应温度与Cr(VI)去除率的关系图

3.5 最佳pH值的确定

pH值对Cr(VI)去除率的影响如图5所示。由图5可知，改性污泥活性炭对Cr(VI)的吸附受pH值变化影响明显。在溶液由酸性逐渐向碱性转化的过程中，去除率也随之在降低，当溶液呈现酸性时，Cr(VI)离子会被分解成HCrO4-、CrO4-、Cr2O72-[9]，以这三种不同的离子存在于溶液中，而溶液中的HCrO4-很容易与改性污泥吸附剂发生吸附反应，随着pH值的增大，HCrO4-离子在溶液中发生化学反应[10]，其质量在不断地减少，这时溶液中只剩下了CrO4-、Cr2O72-两种离子，在碱性溶液中OH-的含量比H+要多，而OH-与CrO4-会同时吸附活性炭，使改性污泥表面呈负电，从而导致去除率降低。因此，pH值的最佳值为4.0。