污泥-花生殼吸附顆粒對水中Pb2+的吸附特性研究

趙 悅， 武雅琦， 耿鑫濤， 李沁洋， 張 肖， 來雪慧

(太原工業學院環境與安全工程系，山西 太原 030008)

引 言

含Pb2+廢水對人類的生存和身體健康產生嚴重危害，研究經濟高效的含Pb2+廢水處理技術是環境工程專業的研究熱點。對質量濃度低于100 mg/L的含Pb2+廢水，采用常規的處理方法比較困難，且成本高，難以達到排放標準[1-2]。吸附法以其選擇性高、吸附容量大、操作簡便的優點成為處理含Pb2+廢水的主要方法之一[3]。農林廢棄物用于廢水處理具有可再生、固液分離容易的特點，適用于低濃度廢水處理。同時，農林廢棄物資源的可再生性和成本低更成為其突出優點[4]。花生殼是花生加工過程中的廢棄物，大部分當作燃料或廢渣棄去，造成自然資源的極大浪費。近年來，國內外對花生殼的研究利用在熱能、食品、化工和醫藥等領域已有報道，但是在廢水處理方面的應用研究仍為數不多[5]。考慮到如果直接采用花生殼作為吸附材料，可能會有有色物質的溶出，影響處理后廢水的色度[6]。因此，本研究以花生殼和污泥為原料，通過化學試劑改性的方法制備復合吸附劑，研究其對Pb2+的吸附性能，為花生殼在廢水處理方面的實際應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與測定方法

污泥取自太原市北郊污水處理廠，污泥和花生殼晾干后，在65 ℃下烘干4 h，粉碎機粉碎后備用。Pb2+濃度的測定采用二甲酚橙(XO)顯色，十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)增溶增敏，通過分光光度法測定。通過實驗發現，試劑空白的最大吸收波長為440 nm，Pb2+-XO-CTMAB顯色體系的最大吸收波長為580 nm，因此實驗選用580 nm為測定Pb2+的波長。

1.2 復合吸附顆粒的制備

取一定量的花生殼于燒杯中，用自來水浸泡4 h，再用去離子水清洗3遍，置于80 ℃烘箱中烘4 h。將烘干后的花生殼在破碎機中進行破碎，之后,研磨成花生殼粉末，過80目(0.178 mm)篩，過篩后的花生殼粉末放入燒杯中，再加入10%的NaOH溶液浸泡，直至花生殼粉末沉至杯底及溶液顏色為暗黃色時，將濾液過濾，濾渣烘干后儲存于錐形瓶中待用。另外，取一定量活性污泥放入烘箱中在80 ℃下烘4 h，烘干后放入研缽中研磨，再過80目(0.178 mm)篩，過篩后的污泥儲存在錐形瓶中待用。

將污泥和花生殼粉末以質量比為2∶1的比例混合(取污泥40 g，花生殼20 g)放入燒杯中，共3份。然后，按浸漬比為1∶3的比例分別加入質量分數為30%、40%、50%的氯化鋅溶液攪拌，將污泥花生殼混合物活化(為了增大活性炭內部孔徑)后，靜置30 min。然后，將配置好的混合物分為5份，放入坩堝中，再把坩堝放入微波爐中進行高溫熱解，時間分別為40、50、60、70、80 min，熱解后即得污泥花生殼吸附劑。

1.3 Pb2+的吸附實驗

Pb2+吸附率和吸附量的計算公式,如式(1)～式(2)。

吸附率=(C0-C)/C0×100%

(1)

q=(C0-C)V/W×100%

(2)

式中：C0為吸附前溶液中目標污染物的質量濃度，mg·L-1；C為吸附后溶液中Pb2+的剩余質量濃度，mg·L-1；V為被處理溶液的體積，L；W為吸附劑的質量，g；q為吸附量，mg·g-1。

2 實驗結果

2.1 吸附時間

取質量濃度為100 mg/L的Pb2+標準溶液2.0 mL于50 mL容量瓶中，依次加入pH值為5.4的六次甲基四胺緩沖溶液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銨(CTMAB)溶液1.0 mL，用蒸餾水定容，搖勻；取6份5 mL Pb2+標準溶液于試管中，然后分別加入0.1 g吸附劑，振蕩10 min，分別靜置20、30、40、50、60、70 min，過濾取濾液。圖1為不同吸附時間對吸附效果的影響。從圖1可以看出，吸附率和吸附量隨著吸附時間的增加而增加。當吸附時間為80 min時，吸附率為80.83%，吸附量為161.65 mg·g-1；吸附時間為30 min時，吸附率僅為50.78%，吸附量為101.55 mg·g-1。

圖1 吸附時間對Pb2+吸附效果的影響

2.2 pH值

取質量濃度為100 mg/L的Pb2+標準溶液1.0 mL于6個25 mL容量瓶中，依次加入pH值為5.4的六次甲基四胺緩沖溶液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銨(CTMAB)溶液1.0 mL，然后，分別加入1、2、3、4、5、6 mL的0.1 mol/L的鹽酸，最后，用蒸餾水定容，搖勻；取6份5 mL Pb2+標準溶液于燒杯中，然后插入pH計，邊搖邊測量pH值，記錄數據后，分別加入0.1 g吸附劑，振蕩10 min，靜置50 min，過濾取濾液。圖2為污泥-花生殼吸附顆粒隨pH值對Pb2+吸附性能的變化規律。由圖2可以看出，pH在偏酸性條件下，吸附性能隨著pH值的增加而增加。當pH為3.94時，吸附率僅為27.88%；當pH達到6.54時，吸附率為94.93%。pH值范圍為4.00～5.67時，吸附率和吸附量隨pH值增加速度較快，之后逐漸減慢。

圖2 溶液pH值對Pb2+吸附效果的影響

2.3 初始質量濃度

分別移取質量濃度為100 mg/L的Pb2+標準溶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值為5.4的六次甲基四胺緩沖溶液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銨(CTMAB)溶液1.0 mL，用蒸餾水定容，搖勻；取8份5 mL Pb2+標準溶液于試管中，然后，分別加入0.1 g吸附劑，振蕩10 min，靜置50 min，過濾取濾液。圖3為Pb2+不同濃度對吸附效果的影響。從圖3可以看出，隨著Pb2+初始濃度的增加，污泥-花生殼吸附顆粒對Pb2+的吸附率減小，同樣吸附量也隨之減小。當質量濃度為0.8 mg·L-1時，吸附率為97.38%，吸附量為282.05 mg·g-1。當初始質量濃度達到6.4 mg·L-1時，吸附率為88.14%。

圖3 Pb2+初始濃度對吸附效果的影響

3 結論

1) 在10 g污泥和花生殼的混合粉末中，加入體積分數為30%的氯化鋅溶液，并于800 W的微波下熱解10 min，制備得到污泥-花生殼吸附顆粒。

2) 當吸附時間為80 min時，吸附率為80.83%，吸附量為161.65 mg·g-1；pH值為6.54，Pb2+溶液初始質量濃度為0.8 mg·L-1時，吸附顆粒對Pb2+的吸附率均達到90%以上，吸附效果較好。