1 引言
凈水污泥(Water Treatment Residual Sludge，簡稱WTRS)是自來水廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物，由大量來自源水中的土壤顆粒、膠體物質(zhì)、微生物、有機(jī)雜質(zhì)及絮凝劑等組成.凈水污泥若處理不當(dāng)會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境及人類的生存環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅.因此，科技工作者圍繞凈水污泥的資源化利用進(jìn)行了大量的研究工作.其中，以凈水污泥作為吸附劑去除水中雜質(zhì)的研究越來越受到研究人員的青睞.例如，孔丹等考察了凈水污泥對(duì)水中Cd2+的吸附特性;Hovsepyan和Bonzongo用凈水污泥吸附汞離子;Kim等則利用凈水污泥去除廢水中的砷離子.這些研究表明，凈水污泥作為重金屬吸附劑具有巨大的應(yīng)用潛力.不少研究者還對(duì)凈水污泥的磷吸附特性進(jìn)行了研究，都取得了較好的效果.
氨氮是水體中氮的主要形態(tài)之一，其污染來源多且排放量大，是水體富營養(yǎng)化的一種主要污染物.目前，關(guān)于凈水污泥吸附氨氮的研究仍鮮見報(bào)道.基于此，本研究主要考察堿改性凈水污泥吸附劑對(duì)水中NH+4的去除性能，并通過熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)分析NH+4在凈水污泥上的吸附機(jī)理.
2 材料與方法
2.1 吸附劑的制備與實(shí)驗(yàn)測試方法
所用凈水污泥取自蘇州某自來水廠，該水廠利用鐵鹽和鋁鹽作為混凝劑.凈水污泥的含水率為77%~79%，經(jīng)ICP-AES分析，Si、Al、Fe、K、Ca、Mg、C、O為凈水污泥的主要元素.將此凈水污泥首先在105 ℃下烘干，研磨篩分，取粒徑介于100~120目之間的顆粒，然后在500 ℃下焙燒3 h，得到未改性凈水污泥吸附劑.將105 ℃烘干并研磨篩分后的顆粒在質(zhì)量濃度為5%的氫氧化鈉溶液中浸漬12 h，再用蒸餾水洗凈、烘干，在500 ℃下焙燒3 h，制成堿改性凈水污泥吸附劑.
實(shí)驗(yàn)所用廢水為氯化銨模擬廢水，氨氮的測定采用納氏試劑-分光光度法.
2.2 吸附劑的表征
采用掃描電子顯微鏡(HITACHI S-4700，日本島津)觀察樣品的微觀形貌.BET比表面測試是采用氮?dú)忪o態(tài)吸附法在比表面積-孔徑分析儀(F-Sorb 3400，北京金埃譜科技有限公司)上完成.樣品的紅外圖譜是用溴化鉀壓片法在傅里葉變換紅外光譜儀(IR Prestige-21，日本島津)上測定.采用XRD分析儀(D-8，德國Brucker)對(duì)樣品進(jìn)行X射線衍射分析，輻射源為CuKα，管電壓40 kV，管電流100 mA，步長0.02°，掃描速率(2θ)為6° · min-1.
2.3 吸附等溫線的測定
分別稱取1.0 g改性前、后的吸附劑顆粒，置于盛有50 mL不同NH+4濃度(10、20、50、100、150和200 mg · L-1)的錐形瓶中.分別將實(shí)驗(yàn)溫度調(diào)至25 ℃和35 ℃，在轉(zhuǎn)速120 r · min-1的條件下振蕩吸附.為了達(dá)到吸附飽和，將吸附時(shí)間定為24 h.吸附完成后，離心分離，取上清液測其吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算吸附平衡濃度.平衡吸附量和去除率分別用式(1)和式(2)計(jì)算.
式中，qe為平衡吸附量(mg · g-1)，C0為NH+4溶液的初始濃度(mg · L-1)， Ce為NH+4溶液的平衡濃度(mg · L-1)，V為NH+4溶液的體積(L)，m為吸附劑投加量(g)，w為去除率.
2.4 吸附動(dòng)力學(xué)測定
分別取1.0 g改性前、后吸附劑顆粒置于一系列250 mL的錐形瓶中，并加入初始濃度為50 mg · L-1的NH+4溶液50 mL，在溫度25 ℃、轉(zhuǎn)速120 r · min-1下進(jìn)行振蕩吸附.每間隔一定的時(shí)間取樣，離心分離，取上清液測吸光度.在不同時(shí)刻t的吸附量qt由式(3)計(jì)算.
式中，Ct為t時(shí)刻溶液的濃度(mg · L-1).
3 結(jié)果與分析
3.1 電鏡掃描與比表面積分析
凈水污泥的SEM圖如圖 1所示.從圖 1可以看出，原凈水污泥表面由緊密的片層結(jié)構(gòu)構(gòu)成.高溫焙燒后，片層結(jié)構(gòu)變薄、變多.經(jīng)堿改性再焙燒，凈水污泥的片層結(jié)構(gòu)變得粗糙且疏松.這是由于高溫焙燒使凈水污泥脫水而導(dǎo)致孔壁坍塌，形成了更大的孔道(符瞰等，2011).經(jīng)過NaOH溶液改性，凈水污泥中原來所含的金屬活性位與溶液中的Na+進(jìn)行了交換，原來的晶格結(jié)構(gòu)遭到破壞，再經(jīng)焙燒，結(jié)構(gòu)更加松散.疏松的片層結(jié)構(gòu)有利于增大凈水污泥的比表面積，比表面積測試結(jié)果也說明了這一點(diǎn)，原凈水污泥、焙燒凈水污泥和堿改性凈水污泥的比表面積分別為29.87、81.63和116.26 m2 · g-1.
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