給水廠污泥吸附磷的動力學和熱力學研究

程愛華，尹向輝，楊 磊

（信息產業部電子綜合勘察研究院，陜西 西安710054）

1 引言

磷是使水體富營養化的主要控制因子，有效去除磷，已成為防治水體富營養化的主要途徑[1，2]。吸附法除磷可有效去除水中的磷，但由于常規吸附劑價格昂貴，處理成本高，所以對廉價、高效的吸附劑的開發已成為一個研究熱點[3～5]。

給水廠污泥主要由懸浮物、膠體物質、有機物、微生物以及生產過程中加入的混凝藥劑等組成，是一種多孔、大比表面的固體物質，可以用作吸附劑。本文對給水廠污泥吸附水中磷的性能進行了研究，探討含磷廢水低成本處理方法。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

給水廠污泥：取自西安市南郊水廠，于100℃ 烘干48h，研碎后用篩子篩分，得到粒徑為60目的粉末。

實驗配水：由于典型的生活污水中總磷含量在3～15mg/L（以磷計），且在廢水除磷過程中，主要關注正磷酸鹽的去除[6]。因此實驗用水采用人工配制的正磷酸鹽溶液，濃度為10.0mg/L（以磷計）。

2.2 實驗儀器

SHA－B恒溫振蕩器，VIS－7220分光光度計，AB104－N分析天平，202A－1型恒溫干燥箱。

2.3 實驗方法

2.3.1 吸附動力學

移取6份50mL，10mg/L的正磷酸鹽溶液于6個250mL錐形瓶中，分別稱取3g給水廠干污泥依次加入錐形瓶中，pH值為6，于25℃的恒溫振蕩器中振蕩，依次在不同的時間取出錐形瓶，過濾，采用磷鉬藍分光光度法測定磷含量。按式（1）和（2）計算去除率和吸附量。

式中C0、C分別為吸附前后磷的濃度，mg/L；v為原水體積，mL；m為給水廠干污泥用量，g。

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2.3.2 吸附等溫線

分別將3g干污泥投入50mL濃度為1～25mg/L含磷溶液中，在25℃、30℃、40℃時振蕩30min后過濾，取濾液，測定磷濃度。

3 結果與討論

3.1 吸附動力學

給水廠污泥吸附磷的吸附量隨時間的變化見圖1。

從圖1中可以看出，當反應時間為30min時，已經達到吸附飽和，此時去除率達93.35%，飽和吸附量為0.154mg/g。

采用Lagergren一級吸附速率方程和二級吸附速率方程對吸附過程進行擬合。擬合參數如表1所示。擬合公式如下。

Lagergren一級吸附速率方程的直線形式為：

式中qt為t時刻的吸附量，mg/g；k1為一級吸附速率常數，min－1；qe為平衡吸附量，mg/g。

Lagergren二級動力學模型的直線形式為：

表1 給水廠污泥吸附磷的動力學擬合參數

通過對比發現給水廠污泥對磷的吸附動力學符合Lagergren二級吸附動力學模型。其相關系數R2大于0.99，說明給水廠污泥對磷的吸附主要是以化學吸附為主。

3.2 吸附等溫線

不同溫度下的吸附等溫線見圖2。

圖2 給水廠干污泥吸附磷的吸附等溫線

由圖2可以看到：吸附等溫線開始時緩慢上升，即隨著液相濃度的增加，吸附容量緩慢增長，在經過了某一濃度后，吸附等溫線急速上升。

分別用Langmuir吸附等溫式、Freundlich吸附等溫式和BET吸附等溫式進行擬合。

Langmuir吸附等溫式：

式中Ce為吸附平衡時吸附質濃度，mg/L；qe為吸附劑的平衡吸附容量，mg/g；Q0為構成單分子層吸附時單位質量吸附劑的飽和吸附量，mg/g；b為與吸附能和吸附熱有關的常數。

Freundlich吸附等溫式：

式中KF和n為Freundlich中與吸附有關的常數。BET吸附等溫式：

式中Cs為吸附質的飽和濃度，mg/L；qm、k為與吸附能和吸附熱有關的常數。

分別用Langmuir、Freundlich、BET吸附等溫式擬合，吸附常數見表2。

表2 給水廠干污泥吸附磷的平衡參數

由表2可知：Langmuir、BET的擬合參數中Q0、qm為負值，不符合實際情況，Freundlich方程擬合的效果較好。這表明給水廠干污泥對含磷廢水的吸附行為符合Freundlich等溫吸附模型。

3.3 吸附熱力學

通過以下方程計算給水廠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為熱力學常數，8.314J·K－1·mol－1；T 為絕對溫度，KF為Freundlich方程中的常數。

給水廠干污泥對含磷廢水的吸附熱力學參數見表3。

表3 給水廠干污泥吸附磷的吸附熱力學參數

由表3可知：ΔH小于0，表明該吸附是放熱過程；ΔG為負值，表明該吸附過程是自發進行的；ΔS為負值，說明該吸附過程發生以后，整個體系的混亂度變小了。

4 結語

給水廠污泥可吸附水中磷，吸附量可達0.154mg/g。吸附過程可用二級吸附動力學方程來描述，符合Freundlich等溫吸附模型，說明給水廠污泥吸附磷主要是以化學吸附為主。通過熱力學函數的估算，得到：ΔH 為－83.34kJ·mol－1，說明該吸附是放熱過程；ΔG、ΔS均為負值，表明該吸附過程是自發進行的，吸附過程發生以后，整個體系的混亂度變小了。

[1]王凱軍，賈立幫.城市污水生物處理新技術開發與應用[M].北京：化學工業出版社，2001.

[2]王桂芹.水體富營養化的原因、危害及防止對策[J].吉林農業大學學報：自然科學版，2000，22（專輯）：116～118.

[3]L Johansson.Phosphate removal using blast furnace slags and opoka mechanisms[J].Wat Res，2000，34（1）：259～265.

[4]L Johansson.The use of leach for the removal of phosphorus from wastewater[J].Wat Sci Tech，1997，35（5）：87～93.

[5]趙桂瑜，周 琪.沸石吸附去除污水中磷的研究[J].水處理技術，2007，33（2）：34～37.

[6]丁文明，黃 霞.廢水吸附法除磷的研究進展[J].環境污染治理技術與設備，2002，3（10）：23～27.

[7]劉轉年，何 嬋.粉煤灰微波改性及其對甲基橙的吸附性能[J].西安科技大學學報，2008，28（2）：336～339.