城市污泥_膨润土颗粒吸附剂的制备及其处理含铅废水的研究

第32卷第6期非金属矿V ol.32 No.6 2009年11月Non-Metallic Mines November, 2009

铅是工业中常用的元素之一，其离子和可溶性铅盐具有毒性，含铅废水对人体健康和农作物生长都有严重危害。铅能在人体和动植物体内蓄积，其主要毒性效应是导致贫血、神经机能失调和肾损伤等。由于其不能被生物降解，因此各国均将铅列为水中优先控制的污染物。目前处理含铅废水一般采用沉淀法去除，通常使用的沉淀剂有石灰、苛性碱、苏打及磷酸盐等。此外，絮凝法、吸附法、离子交换法、电渗析法等也可用于去除废水中的铅[1~4] 。

膨润土[5~7]和城市污泥[8~9]常以粉末吸附剂用于污水处理中。粉末吸附剂虽然具有较大的比表面积以及很强的吸附性能，但是在实际应用中，处理后的废水存在着固液分离难等问题，需增加过滤设备，并且在高度粉末状态下，还存在着过滤性不好、过滤装置的滤面易堵塞等缺点；若将粉状吸附剂装填在交换柱中进行动态吸附，还易造成堵塞，使吸附无法进行[10~11]。如能将吸附剂颗粒化，将改善上述情况。本实验研究了城市污泥-膨润土制备颗粒吸附剂的制备

条件及其对废水中铅离子的吸附特性，进而为解决城市污泥资源化利用问题和开发新型吸附材料寻找一条新的途径。

1 材料与方法

1.1 城市污泥-膨润土吸附剂的制备

1.1.1 实验主要原料：污泥为成都市三瓦窑污水处理厂的剩余污泥，含水率为83.3%，灰分为49.43%，将含水率较高的脱水污泥放入鼓风干燥箱，在105℃下烘24h，得到含水率低于10%的干污泥，将干污泥用TCIF-瓷瓶球磨机研磨破碎成粒径为0.6~2mm的产物待用。膨润土取自四川省三台县，其化学组成(wt%)为：SiO

，59.36；CaO，8.08；MgO，1.45；Fe

，5.63；

，16.87；TiO

，0.35。

1.1.2 主要仪器：DLG-60型单螺杆挤出造粒机；恒温振荡器（上海福玛实验设备有限公司）；pHS-3C精密pH计（上海安亭雷磁仪器厂）；TCIF-瓷瓶球磨机（湘潭华丰仪器制造有限公司）；电热鼓风干燥箱；马弗炉；GGX-6E型塞曼火焰原子吸收分光光度计及其相应的辅助设备。

1.1.3 城市污泥-膨润土吸附剂的制备：将城市污泥、膨润土按一定比例混合后用适量的水混合均匀，陈

城市污泥-膨润土颗粒吸附剂的制备及其处理含铅废水的研究

陈红燕羊依金*张卓君信欣谭显东刘风梅

（成都信息工程学院资源环境学院，四川成都610225）

摘要通过焙烧实验和振荡吸附实验，研究了城市污泥-膨润土颗粒吸附剂的制备及其在含铅离子废水中的吸附特性。结果表明，颗粒吸附剂制备的最佳组合条件为城市污泥∶膨润土= 6∶4 （质量比），粒径为1.2mm，在550℃下焙烧2h；在温度为25℃左右，pH值为4，Pb2+初始浓度为30mg/L、吸附剂用量为10g/L、吸附时间为30min条件下，吸附剂对废水中的Pb2+的去除效率可达92.55%。吸附剂对Pb2+的吸附符合Langmuir 吸附方程。

关键词城市污泥膨润土颗粒吸附剂铅离子

中图分类号：TQ424.2;X703文献标识码：A文章编号：1000-8098(2009)06-0053-04

Study on Preparation of Municipal Sludge-bentonite Granulated Absorption Materials and Processing

of Wastewater Containing Lead Ion

Chen Hongyan Yang Yijin Zhang Zhuojun Xin Xin Tan Xiandong Liu Fengmei

(College of Resource and Environment, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225) Abstract Preparation of municipal sludge-bentonite granulated absorbent and its adsorption properties used for the Pb2+ solution were studied by roasting and oscillating adsorption experiment. The optimum conditions of preparing particle adsorbent were as following: the mass of municipal sludge to bentonite was 6∶4, particle diameter was 1.2mm, and roasting temperature was 550℃ for 2h. The lead removal rate could be reached to 92.55% when the oscillating adsorption temperature was 25℃, adsorption time was 30 minters, and the solution of pH value was 4 respectively. And the absorbent of adsorption to Pb2+ is suit for Langmuir equation.

Key words municipal sludge bentonite granulated absorbent lead ion

收稿日期：2009-10-12

基金项目：成都信息工程学院自然科学与技术发展基金(CSRF200708)

*通讯作者，E-mail: jinyiyang@https://www.360docs.net/doc/5f14106425.html,；Tel: 136********。

化12h ，用DLG-60型单螺杆挤出造粒机造出粒径为2mm 、1.6mm 、1.2mm 长度为3~6mm 的柱状颗粒，在空气中自然干燥，然后经马弗炉焙烧制成颗粒状吸附剂。

1.2 实验废水及吸附实验1.

2.1 实验废水：实验所用的含Pb 2+废水为实验室配制。采用Pb(NO 3)2配制含Pb 2+

质量浓度为1g/L 的标

准储备液，含Pb 2+ 废水用储备液稀释而成.

1.2.2 吸附实验方法及原理：吸附实验采用静态方法在室温下进行。准确称取一定量的吸附剂和50mL 一定浓度的含Pb 2+ 废水若干份，分别置于250mL 碘量瓶中，用0.01mol/L NaOH 或HNO 3 溶液调节pH 值，室温下在振荡器上振荡一定时间，静置10min ，取出过滤，测定滤液中Pb 2+ 含量。2 结果与讨论

2.1 城市污泥-膨润土颗粒吸附剂的制备针对颗

粒吸附剂采用4因素3水平正交实验设计L 9(34)，对焙烧时间（1.5h 、2h 、2.5h ）、焙烧温度（550℃、650℃、750℃）、城市污泥和膨润土配比(5∶5、6∶4、3∶7)以及粒径（1.2mm 、1.6mm 、2.0mm ）进行了正交实验，结果见表1。

表1 正交实验

序号焙烧温度/℃焙烧时间/h

配比粒径/mm Pb 2+去除率/%1550 1.55∶5 1.285.32255026∶4 1.692.553550 2.53∶7 2.073.374650 1.56∶4 2.064.05565023∶7 1.280.116650 2.55∶5 1.658.567750 1.53∶7 1.652.61875025∶5 2.045.959750 2.56∶4 1.260.55

K 1K 2K 3R

251.24202.72159.1192.13

201.98218.61192.4826.13

187.13217.15206.0930.02

225.98 201.02183.3742.61

由极差（R ）分析可知，最主要的影响因素是焙烧温度，其次为粒径和膨润土与城市污泥的混合比例，焙烧时间的影响较小。考虑到经济性及产品回收率等因素的影响，最佳制备组合条件确定为：焙烧温度550℃，焙烧时间2h ，城市污泥与膨润土的混合比例6∶4，颗粒吸附剂的粒径1.2mm 。

2.2 几种颗粒吸附剂吸附含铅废水实验分别称取

城市污泥/膨润土颗粒吸附剂、纯污泥颗粒吸附剂以及纯膨润土颗粒吸附剂0.5g 加入到50mL 、浓度为

30mg/L 、pH 值为5的铅离子溶液中，在25℃下振荡30min ，考察不同颗粒吸附剂对去除含铅废水中Pb 2+的影响，结果见表2。

表2 几种颗粒吸附剂吸附Pb 2+的影响

颗粒吸附剂去除率/%吸附容量/(mg/g)比表面积 /(m 2/g)平均孔半径/nm 城市污泥-膨润土

颗粒吸附剂 92.55 2.7720.17120.32纯污泥颗粒吸附剂 65.36 1.9625.34109.72纯膨润土颗粒吸附

93.47

2.80

20.895

122.45

由表2可知，3种颗粒吸附剂，纯污泥颗粒吸附剂不论是吸附容量、Pb 2+的去除率还是比表面积都低于其它两种吸附剂，吸附效果最差。城市污泥-膨润土颗粒吸附剂的吸附容量、比表面积、平均孔半径都只略低于纯膨润土颗粒吸附剂，说明通过适当的添加膨润土不但增加了污泥吸附剂的吸附性能，同时也利用膨润土具有黏性这一特点解决了纯污泥颗粒吸附剂极易松散的问题。况且城市污泥作为现在城市固体废物处理的一个重要问题，处理起来本身就费时费力，成本昂贵，处置不当就会给环境造成严重的二次污染，因此将城市污泥适当的添加膨润土制备颗粒吸附剂，不但解决了城市污泥的处置问题，节约了成本，同时还真正达到了以废治废的目的。

2.3 城市污泥-膨润土颗粒吸附剂吸附废水中的

Pb 2+ 影响因素实验在正交试验确定制备城市污泥-膨润土颗粒吸附剂的最佳条件的基础上，制备颗粒吸附剂，并将颗粒吸附剂进一步用于吸附废水中的铅离子的单因素实验中，进而确定最佳的吸附参数。2.3.1 吸附时间对Pb 2+ 去除率的影响：量取50mL ，Pb 2+浓度为30mg/L 的含铅废水分别置于5个250mL 的具塞锥形瓶中，调节其pH 值为4，准确称取颗粒吸附剂0.5g ，分别在25℃下振荡一定时间取样，考察吸附时间对Pb 2+去除率的影响，结果见图1。

图1 振荡时间对去除铅离子的影响

由图1可知，在吸附初期阶段，随吸附时间的延长，吸附剂对Pb 2+的去除率迅速提高，当吸附时间达到30min 时，基本达到吸附平衡，去除率达92.55%。继续延长时间，吸附效果升高不明显，即在一定的吸附时间内，吸附剂对重金属离子的吸附速率很快，

这

是由于当颗粒吸附剂与溶液中的Pb 2+接触时，发生离子交换、表面络合反应及孔道吸附作用，从而吸附了大量的铅离子。随着时间的延长，由于可交换阳离子及表面羟基的逐渐减少，吸附剂的吸附速率逐渐减小，直至达到吸附饱和[12]。因此在以下的实验中选取吸附时间均为30min 。

2.3.2 pH 值对Pb 2+去除率的影响：pH 值对Pb 2+去除率的影响，见图2。由图2可看出，颗粒吸附剂对Pb 2+的吸附在pH=2~3的强酸性条件下效果较差，而在pH=4~6这样的弱酸、弱碱和中性条件下，吸附性能则明显增强。这主要是因为：在酸性介质中，H +与颗粒吸附剂发生阳离子交换反应，改变了颗粒吸附剂表面的化学结构，从而降低了颗粒吸附剂对重金属离子的吸附能力。随着pH 值的增加，水溶液中H +离子浓度降低，颗粒吸附剂对重金属离子的吸附能力增强。但当pH 值达到7时，曲线斜率突然增大，这可能是由于产生了金属络合物或者是有沉淀产生，如果继续增大pH 值如增至8，金属离子沉淀增加，这时已经不是单纯的吸附作用。同时金属离子的沉淀也不利于金属离子和活性炭的回收再利用。因此，在以下的实验中均选取溶液的pH 值为4作为理想的pH 条件。

图2 pH 值对Pb 2+去除率的影响

（t =30min ；C 0=30mg/L ；V =50mL ；颗粒吸附剂投加量=0.5g ；

T =25℃）2.3.3 吸附剂用量对Pb 2+ 去除率的影响：吸附剂用量

对Pb 2+ 去除率的影响，见图3。由图3可看出，随着吸附剂用量的不断增加，吸附剂对Pb 2+的去除率逐渐增加，当吸附剂的用量增加到0.5g/50mL 时，Pb 2+的去除率达到92.55%。然后吸附剂用量继续增加，但去除率增加趋于缓慢。因此，选定10g/L 为最佳投加量。

图3 吸附剂用量对Pb 2+去除率的影响

（t =30min ；C 0=30mg/L ；V =50mL ；pH=4；

T =25℃） 2.3.4 废水初始浓度对Pb 2+ 去除率的影响：废水初始浓度对Pb 2+ 去除率的影响，见图4。由图4可知，在浓度为20~30 mg/L 时，去除率相对较高为96%~92.55%，当浓度继续增加为40mg/L 时，去除率迅速下降，仅为78.32%，同时随着废水浓度进一步增大，去除率将继续降低。研究表明，随着溶液重金属离子初始浓度的增加，颗粒吸附剂的吸附总量增加，但去除率明显下降，说明在此实验条件下，颗粒吸附剂对重金属离子的吸附增加量明显小于溶液中重金属离子的增加量。

图4 初始浓度对Pb 2+吸附的影响

（t =30min ；V =50mL ；pH=4；颗粒吸附剂投加量=0.5g ；

T =25℃）2.3.5 颗粒吸附剂对Pb 2+ 的吸附等温线：在吸附平衡研究中，描述吸附等温线的最常用的表达式是Freundlich 方程和Langmuir 方程。

Freundlich 方程的线性化形式为：lg Q e =1/n lg C e +lg k

Langmuir 方程的线性化形式为:

C e /Q e =C e /Q 0+1/b ×Q 0

式中：C e ，溶液中吸附质的平衡质量浓度；Q e ，平衡吸附容量；Q 0，Langmuir 饱和吸附容量；b ，

Langmuir 吸附等温线常数；k ，

Freundlich 吸附等温线常数。图5 Langmuir 等温线回归直线形式

图6 Freundlich 等温线回归直线形式

根据Langmuir 和Freundlich 直线形式回归方程的相关系数R 2，对Langmuir 模型来说， Pb 2+

的相关系y =-0.034+0.047x R 2=0.994

C e /Q e /(g /L )

C e /(mg/L)

y =2.54+0.196x R 2=0.974

lg C e

l g Q e

（上接第38页）数为0.994，而对于Freundlich 模型来说，相关系数为0.974。根据这样的结果发现，试验数据拟合Langmuir 方程比Freundlich 要合适一些。由此说明Pb 2+ 在城市污泥-膨润土颗粒吸附剂表面的吸附主要以单分子层吸附为主。

3 结论

1.城市污泥-膨润土颗粒吸附剂的制备最佳组合条件为城市污泥∶膨润土= 6∶4 （质量比），粒径为1.2mm ，焙烧温度为550℃，焙烧时间为2h ，这种条件下制备的颗粒吸附剂的吸附效果较好。

2.综合比较城市污泥/膨润土颗粒吸附剂、纯污泥颗粒吸附剂以及纯膨润土颗粒吸附剂对含铅废水中Pb 2+

吸附效果可知，城市污泥/膨润土颗粒吸附剂

具有很好的工业利用前景。

3.城市污泥-膨润土颗粒吸附剂的吸附性能优良，在温度为25℃，pH 值为4，Pb 2+ 废水初始浓度为30mg/L ，吸附剂的用量为10g/L ，吸附时间为30min 的条件下，Pb 2+的去除率可达到92.55%。

4.铅离子在吸附剂上的吸附能很好的符合Langmuir 吸附等温式，由此说明Pb 2+

在吸附剂上的吸附主要以单分子层吸附为主。参考文献：

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