污泥衍生吸附剂对废水中酸性雪青的吸附特性研究

材料与方法

1.1 试验材料 污泥粉取自山西省太原市北郊污水处理厂，经干燥后研磨得到；氯化锌；盐酸；碘化钾（GB/T675）；硫代硫酸钠（Na2S2O3·5H2O，GB/T 637）；可溶性淀粉（HGB 3095）；重铬酸钾（GB 1259）；酸性雪青；氢氧化钠。

1.2 试验设备 研钵；马弗炉（河南鑫科仪器厂SRLX-4-13）；真空抽滤机（上海雷韵实验仪器制造有限公司）；烘干箱（江苏省金坛市荣华仪器有限公司）；天平，感量0.1 g；恒温干燥箱（江苏省金坛市荣华仪器有限公司）；振荡器，频率240～275次/min（江苏省金坛市荣华仪器有限公司）；722型可见分光光度仪（上海元析仪器有限公司）；回旋式振荡机（江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司）；MP523–01型pH/离子浓度计（上海三信仪表厂）；SPX–250B型生化培养箱（上海三信仪器设备有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 吸附动力学试验。取酸性雪青0.3 g在烧杯中溶解后引入容量瓶定容，配制成300 mg/L的溶液，从中取出250 ml放入锥形瓶中，并加入0.75 g的污泥衍生吸附剂，然后在振荡器上振荡，在室温12 ℃，pH 2.8下反应，分别在3、5、10、20、30、50、120、150、200、260、320 min时取10 ml过滤，取滤液测吸光度。

1.3.2 吸附热力学试验。取酸性雪青1 g，配成1 000 mg/L的母液。从母液中取5、10、15、20、25、30、35、40、45 ml分别放入50 ml容量瓶中，定容，振荡摇匀，配制成100、200、300、400、500、600、700、800、900 mg/L的酸性雪青溶液，然后将其导入三角瓶，分别加入0.15 g的污泥衍生吸附剂，在pH 2.8下，放入20 ℃的生化培养箱，12 h后取出，测吸光度，用同样的方法做30、40 ℃的热力学试验。

1.3.3 检测方法。溶液经滤纸过滤，在酸性雪青的最大波长530 nm下测滤液的吸光度，通过酸性雪青的标准曲线得到滤液中酸性雪青的浓度。

1.3.4 数据拟合方法。采用线性拟合法，利用最小二乘法和极值原理进行模型拟合。

2 结果与分析

2.1 最佳吸附时间的确定 由污泥衍生吸附剂对酸性雪青的吸附时间试验看出，对于100、300和400 mg/L的酸性雪青溶液，其最佳吸附时间分别为30、90和150 min（图1）。可见，酸性雪青的最佳吸附时间随着浓度的增加而增加。

2.2 反应级数的确定 图2和图3为100、300、400 mg/L的酸性雪青溶液与假一级动力学模型和假二级动力学模型的线性拟合情况（包括其拟合公式以及R2的大小）。由图2、3看出，酸性雪青溶液的吸附动力学模型符合假二级动力学模型，这说明影响酸性雪青染料吸附速率的因素有两个。

从计算得到的各动力学模型参数（表1）可知，假二级动力学模型所计算出来的平衡吸附容量与试验测得的非常相近，而与假一级动力学模型计算所得的相差较远，这进一步说明了假二级动力学模型可以很好地描述其吸附过程，同时也可以很好地用假二级动力学方程来预测酸性雪青染料的平衡吸附容量。

2.3 吸附速率主控步的确定 等温条件下，多孔吸附剂的吸附一般有3个步骤：首先是吸附质分子在颗粒表面的薄液层中扩散，其次是在吸附剂颗粒内部扩散，最后是吸附在细孔内的吸附位上。吸附过程总速率取决于上述过程最慢的一步。在通常的物理吸附中，上述最后一步的吸附反应速率很快，总吸附速率由膜扩散或颗粒内扩散控制。因此要确定吸附速率控制步骤，必须考虑两个过程，即液膜扩散和颗粒内扩散。

由液膜扩散拟合结果（图4）可知，对于100、300、400 mg/L酸性雪青染料，其液膜扩散的拟合程度R2都>0.9，这说明其吸附过程可以用液膜扩散模型来描述。由于其拟合直线都不经过原点，可知其不是速率控制的唯一因素。由颗粒内扩散拟合结果（图5）可知，对于100、300、400 mg/L酸性雪青染料，其线性拟合程度都不是很好，其R2都<0.9，并且呈现出多线段性。随着浓度的提高，这种多线段性趋于明显，这说明吸附过程有多个步骤发生，同时说明吸附剂内部扩散不是吸附过程的控制步骤。

2.4 Langmuir和Freundlich的热力学拟合 污泥衍生吸附剂对酸性雪青的吸附热力学模型在10、20、30 ℃下可用Langmuir吸附模型很好地描述（图6），R2在0.992 0～0.991 4之间，也可以用Freundlich吸附模型很好地描述（图7），R2在0.990 4～0.994 7之间。

表2显示，随着温度的升高，Langmuir常数K1和污泥衍生吸附剂对酸性雪青的吸附容量qm都增大，当温度为30 ℃时，吸附容量qm达到312.5 mg/g。这说明污泥吸附剂对酸性雪青的吸附过程是一个吸热过程。对于Freundlich等温吸附方程，其中有两个参数1/n和Kf，Kf的大小在一定程度上可以反映吸附性能的好坏，Kf随着温度的升高而升高，表明随着温度的升高其吸附性能变好，这说明其吸附过程是一个吸热过程。1/n在一定程度上可以表示吸附的难易程度，当1/n在0.1～0.5之间时，其容易吸附。该试验中，1/n在0.196 2～0.210 9之间，可以看出污泥衍生吸附剂对酸性雪青的吸附是较容易进行的。

3 结论

（1）不同浓度的酸性雪青溶液其最佳吸附时间是不同的，随着浓度的增加，吸附时间相应增加。

（2）吸附过程符合假二级动力学模型，其R2>0.99，用假二级动力学方程可以预测酸性雪青染料的平衡吸附容量。

（3）吸附过程可以用液膜扩散模型来描述（R2>0.9），但由于其拟合直线不经过原点，说明液膜扩散并不是速率控制的唯一因素。在与颗粒内扩散模型拟合时，拟合线呈现出多线段性，且随着酸性雪青浓度的提高，这种多线段性趋于明显，说明吸附过程有多个步骤发生，同时说明吸附剂内部扩散不是吸附过程的控制步骤。

（4）热力学试验表明，其吸附热力学模型在10、20、30 ℃下既可用Freundlich吸附模型很好地描述，也可以用Langmuir吸附模型很好地描述，其R2都>0.9。污泥衍生吸附剂在30 ℃时对酸性雪青的吸附性能最好，说明此过程是一个吸热过程；1/n在0.1～0.5之间时，吸附较容易进行。

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