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如何提高净水污泥对水中氨氮的吸附效率

光博环保 2021-03-24
1 引言
  净水污泥(Water Treatment Residual Sludge,简称WTRS)是自来水厂生产过程中产生的废弃物,由大量来自源水中的土壤颗粒、胶体物质、微生物、有机杂质及絮凝剂等组成.净水污泥若处理不当会对生态环境及人类的生存环境构成严重威胁.因此,科技工作者围绕净水污泥的资源化利用进行了大量的研究工作.其中,以净水污泥作为吸附剂去除水中杂质的研究越来越受到研究人员的青睐.例如,孔丹等考察了净水污泥对水中Cd2+的吸附特性;Hovsepyan和Bonzongo用净水污泥吸附汞离子;Kim等则利用净水污泥去除废水中的砷离子.这些研究表明,净水污泥作为重金属吸附剂具有巨大的应用潜力.不少研究者还对净水污泥的磷吸附特性进行了研究,都取得了较好的效果.
  氨氮是水体中氮的主要形态之一,其污染来源多且排放量大,是水体富营养化的一种主要污染物.目前,关于净水污泥吸附氨氮的研究仍鲜见报道.基于此,本研究主要考察碱改性净水污泥吸附剂对水中NH+4的去除性能,并通过热力学和动力学数据分析NH+4在净水污泥上的吸附机理.
  2 材料与方法
  2.1 吸附剂的制备与实验测试方法
  所用净水污泥取自苏州某自来水厂,该水厂利用铁盐和铝盐作为混凝剂.净水污泥的含水率为77%~79%,经ICP-AES分析,Si、Al、Fe、K、Ca、Mg、C、O为净水污泥的主要元素.将此净水污泥首先在105 ℃下烘干,研磨筛分,取粒径介于100~120目之间的颗粒,然后在500 ℃下焙烧3 h,得到未改性净水污泥吸附剂.将105 ℃烘干并研磨筛分后的颗粒在质量浓度为5%的氢氧化钠溶液中浸渍12 h,再用蒸馏水洗净、烘干,在500 ℃下焙烧3 h,制成碱改性净水污泥吸附剂.
  实验所用废水为氯化铵模拟废水,氨氮的测定采用纳氏试剂-分光光度法.
  2.2 吸附剂的表征
  采用扫描电子显微镜(HITACHI S-4700,日本岛津)观察样品的微观形貌.BET比表面测试是采用氮气静态吸附法在比表面积-孔径分析仪(F-Sorb 3400,北京金埃谱科技有限公司)上完成.样品的红外图谱是用溴化钾压片法在傅里叶变换红外光谱仪(IR Prestige-21,日本岛津)上测定.采用XRD分析仪(D-8,德国Brucker)对样品进行X射线衍射分析,辐射源为CuKα,管电压40 kV,管电流100 mA,步长0.02°,扫描速率(2θ)为6° · min-1.
  2.3 吸附等温线的测定
  分别称取1.0 g改性前、后的吸附剂颗粒,置于盛有50 mL不同NH+4浓度(10、20、50、100、150和200 mg · L-1)的锥形瓶中.分别将实验温度调至25 ℃和35 ℃,在转速120 r · min-1的条件下振荡吸附.为了达到吸附饱和,将吸附时间定为24 h.吸附完成后,离心分离,取上清液测其吸光度,根据标准曲线计算吸附平衡浓度.平衡吸附量和去除率分别用式(1)和式(2)计算.
 
  式中,qe为平衡吸附量(mg · g-1),C0为NH+4溶液的初始浓度(mg · L-1), Ce为NH+4溶液的平衡浓度(mg · L-1),V为NH+4溶液的体积(L),m为吸附剂投加量(g),w为去除率.
  2.4 吸附动力学测定
  分别取1.0 g改性前、后吸附剂颗粒置于一系列250 mL的锥形瓶中,并加入初始浓度为50 mg · L-1的NH+4溶液50 mL,在温度25 ℃、转速120 r · min-1下进行振荡吸附.每间隔一定的时间取样,离心分离,取上清液测吸光度.在不同时刻t的吸附量qt由式(3)计算.
 
  式中,Ct为t时刻溶液的浓度(mg · L-1).
  3 结果与分析
  3.1 电镜扫描与比表面积分析
  净水污泥的SEM图如图 1所示.从图 1可以看出,原净水污泥表面由紧密的片层结构构成.高温焙烧后,片层结构变薄、变多.经碱改性再焙烧,净水污泥的片层结构变得粗糙且疏松.这是由于高温焙烧使净水污泥脱水而导致孔壁坍塌,形成了更大的孔道(符瞰等,2011).经过NaOH溶液改性,净水污泥中原来所含的金属活性位与溶液中的Na+进行了交换,原来的晶格结构遭到破坏,再经焙烧,结构更加松散.疏松的片层结构有利于增大净水污泥的比表面积,比表面积测试结果也说明了这一点,原净水污泥、焙烧净水污泥和碱改性净水污泥的比表面积分别为29.87、81.63和116.26 m2 · g-1.

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