污泥-秸稈復合吸附顆粒對溶液中Cd2+的吸附特性研究

李文博， 王 濤， 嚴康峻， 焦鐘樂， 史學儒， 來雪慧

(太原工業(yè)學院環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030008)

引 言

含重金屬離子廢水排放會對土壤、水體和人體健康產(chǎn)生危害，因此，對廢水中的重金屬離子進行處理十分重要[1-2]。目前，處理廢水中重金屬離子的方法包括吸附法、化學沉淀法、離子交換法和膜分離法等[3]。其中，吸附法因操作簡便、吸附量大等特點成為處理含Cd2+廢水的主要方法[4]。通過秸稈生物炭處理含Cd2+廢水，既可以去除重金屬離子，又可以對農(nóng)林廢棄物再次利用，具有良好的生態(tài)效益[5]。本研究以玉米秸稈和大豆秸稈與污泥為原料，制備復合吸附劑，探討其對廢水中Cd2+的吸附性能。

1 材料與方法

1.1 復合吸附顆粒的制備

污泥取自太原市北郊污水處理廠，大豆秸稈和玉米秸稈取自太原市北固碾農(nóng)田。首先，將取得的秸稈去頭去葉，將其切成長度為2 cm～3 cm左右，然后用自來水將秸稈上的余土及灰塵沖洗干凈，再連續(xù)用去離子水洗3遍之后，盛放在托盤中。放進電熱恒溫鼓風干燥箱中，在55 ℃下烘干至恒重，之后，將烘干后的秸稈剪成l cm左右。將烘干后的秸稈在破碎機中進行破碎，之后研磨成粉末，過80目(180 μm)篩，過篩后的秸稈粉末放入燒杯中，再加入10%的NaOH溶液浸泡24 h。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于80 ℃下烘4 h，烘干后放入研缽中研磨，再過80目篩，過篩后的污泥儲存在錐形瓶中待用。

將污泥和秸稈粉末以質(zhì)量比為2∶1的比例混合放入燒杯中，共3份。然后，按浸漬比為1∶3的比例分別加入質(zhì)量分數(shù)為30%、40%、50%的氯化鋅溶液攪拌，將污泥和秸稈的混合物活化后，靜置30 min。最后，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-秸稈吸附劑。

1.2 Cd2+的測定方法

Cd2+質(zhì)量濃度的測定主要是通過雙硫腙分光光度法。在強堿溶液中，生成紅色絡(luò)合物，其三氯甲烷萃取液在518 nm波長處進行分光光度測定，可得Cd2+的質(zhì)量濃度。

1.3 吸附量

吸附劑吸附能力的大小用吸附量q表示，見式(1)。

q=V(ρ0-ρ)/W

(1)

式中:ρ0和ρ為吸附前、后溶液中Cd2+污染物的質(zhì)量濃度，mg·L-1；V為被處理溶液的體積，L；W為吸附劑的質(zhì)量，g；q為吸附量，mg·g-1。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 吸附時間

取質(zhì)量濃度為100 mg/L的Cd2+標準溶液置于廣口瓶中，將廣口瓶放入搖床中使得溶液分別達到10、25、35 ℃，并稱取3 g污泥-玉米秸稈和污泥-大豆秸稈復合吸附顆粒，投入到廣口瓶中進行振蕩，每隔5 min移取含Cd2+溶液，進行測定。圖1為不同吸附時間對Cd2+廢水吸附效果的影響。可以看出，污泥-玉米秸稈吸附顆粒對Cd2+的吸附效果高于污泥-大豆秸稈，吸附率隨著吸附時間的增加而增加。在35 ℃下，兩種吸附劑對Cd2+的吸附效果均在90 min時達到最大，吸附率分別為65.2%和19.2%。10 ℃和25 ℃條件下，則于180 min時達到最大吸附率。

圖1 吸附時間對Cd2+吸附效果的影響

2.2 pH值

在25 ℃條件下，取質(zhì)量濃度為100 mg/L的Cd2+溶液置于50 mL容量瓶中，分別投加污泥-玉米秸稈和污泥-大豆秸稈吸附顆粒0.5 g，考察不同pH值對吸附效果的影響，實驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，污泥-玉米秸稈對Cd2+的吸附量隨著pH值的增加而增加。當pH為7.0時，吸附量為8.25 mg·g-1。污泥-大豆秸稈在pH值為4.0時，對Cd2+的吸附量僅為1.29 mg·g-1；當pH值達到6.0時，吸附量為2.33 mg·g-1。

圖2 溶液pH值對Cd2+吸附效果的影響

2.3 初始溶液濃度

在25 ℃條件下，溶液初始pH為6.7，分別取50 mL初始濃度為0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mol/L的含Cd2+廢水于容量瓶中，分別加入0.5 g的吸附顆粒，探究溶液初始濃度對吸附效果的影響，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，隨著Cd2+初始摩爾濃度的增加，兩種復合吸附顆粒對Cd2+的吸附量也隨之增加。同樣，污泥-玉米秸稈對Cd2+的吸附量大于污泥-大豆秸稈。當初始濃度為3.0 mol/L時，兩種吸附顆粒的吸附量分別為8.83 mg·g-1和3.13 mg·g-1。

圖3 Cd2+溶液初始濃度對吸附效果的影響

3 結(jié)論

1) 通過微波熱解制備污泥-秸稈吸附顆粒，當污泥和秸稈粉末質(zhì)量比為2∶1，加入體積比為50%的氯化鋅溶液，微波熱解50 min時，對Cd2+的吸附效果最好。

2) 污泥-玉米秸稈對Cd2+的吸附效果好于污泥-大豆秸稈顆粒。在35 ℃下，兩種吸附劑對Cd2+的吸附效果均在90 min時達到最大；10 ℃和25 ℃條件下，在180 min時吸附率最大。當pH為7.0時，污泥-玉米秸稈對Cd2+的吸附量為8.25 mg·g-1；當pH為6.0時，污泥-大豆秸稈對Cd2+的吸附量最大。兩種吸附顆粒對Cd2+的吸附量隨著溶液初始濃度的增加而增加。