净水厂工艺废水中污泥制备吸附剂及对水中Cr6+的吸附特性

摘要

废物的资源化利用是当前的一个热点课题。秉承可持续发展理念，利用废物开发出资源节约型和环境友好型吸附材料，不但可变废为宝，同时还能减轻废物带来的环境压力，具有现实的意义。净水厂生产废水污泥(简称净水厂污泥)是净水厂生产过程中产生的副产品，有研究表明净水厂污泥对水中污染物具有一定的吸附去除能力，但去除性能不高，而且应用后回收困难。针对上述不足，本文选取了具有代表性的水库源净水厂的污泥作为吸附材料基质，选择热-酸联合改性法对净水污泥进行改性，制备出高效能的改性污泥粉末吸附剂；另外，结合本研究选取的净水厂污泥具有的特殊性质，以净水厂污泥为主要陶粒制备原料，建立一种新型的陶粒制备工艺。以Cr(VI)为吸附去除对象，考察改性污泥粉末吸附剂以及污泥陶粒吸附剂的吸附性能，构建净水厂污泥基吸附剂对Cr(VI)的吸附模型并探讨吸附机理，为净水厂污泥作为吸附材料的实际应用提供理论指导和科学依据。
　　利用元素分析仪、比表面积分析仪、扫描电镜-能谱联用仪、X射线衍射仪、红外光谱仪等分析检测技术，对改性前后污泥粉末和污泥陶粒的物化性质进行表征，通过静态吸附实验和动态吸附柱实验考察改性前后污泥粉末以及污泥陶粒对模拟 Cr(VI)废水的吸附性能，分析各因素对吸附过程的影响，探讨和推断吸附机理。利用响应曲面法建立吸附优化方程并对反应参数进行优化。
　　污泥粉末的最佳改性条件为400℃温度下煅烧3 h，然后与2.5 mol/L的HCl溶液中混合3 h，固液比为1:1。利用静态实验研究了改性前后污泥粉末对水中Cr(VI)的去除性能，考察pH值、反应时间、Cr(VI)的初始浓度、反应温度、投加量以及干扰离子等因素对吸附性能的影响。结果发现，改性后污泥粉末对Cr(VI)的去除性能明显增加。pH值在2.0-3.0范围内去除效果最佳，酸性条件下改性前污泥有腐殖酸类物质溶出，能够促进污泥对Cr(VI)的去除；初始浓度和温度增加对改性前后污泥吸附性能有提高作用；干扰离子存在会抑制污泥粉末对Cr(VI)的吸附去除过程。
　　改性前后污泥粉末对Cr(VI)吸附过程可以用准二级动力学方程进行数据拟合；Langmuir等温吸附模型能较好地描述改性前污泥粉末的吸附过程，而Freundlich等温吸附模型能较好地描述改性后污泥粉末的吸附过程；改性前后污泥粉末对Cr(VI)的吸附为吸热过程，升温有利于反应的进行，吸附后系统的无序性增加。吸附反应的机理是溶液中HCrO4-受到静电引力的作用附着在聚集正电荷的污泥粉末表面上，与污泥粉末表面的羟基组分发生配体交换反应。
　　污泥陶粒的最优制备条件为生料预处理温度500℃，预处理时间为20 min；最优焙烧温度为1050℃，焙烧时间为10 min；原料配比为60％：40%(含水污泥占原料质量的60%，膨润土占原料质量的40%)。分别利用静态实验和动态吸附柱实验考察污泥陶粒对水中Cr(VI)的去除性能。结果发现。pH值在4.5时去除效果最佳，对处理Cr(VI)废水的pH值范围较改性污泥粉末扩宽1.5个单位。初始浓度和温度增加对污泥陶粒吸附性能有提高作用；干扰离子存在会抑制污泥陶粒对Cr(VI)的吸附去除过程。
　　陶粒对Cr(VI)的吸附过程可以用准二级动力学方程进行数据拟合；Freundlich等温吸附模型均能较好地描述等温吸附过程，吸附反应的机制是酸性条件下污泥陶粒表面发生质子化作用，表面聚集正电荷，促进了陶粒表面与HCrO4-离子之间的正负静电引力，陶粒表面的活性官能团-OH与Cr(VI)存在离子之间发生配位体交换。污泥陶粒对Cr(VI)的动态吸附结果显示，吸附过程受吸附柱填料高度，溶液的流速、浓度以及 pH影响，在本实验条件下，动态吸附的最佳参数为吸附柱填料高度10 cm，陶粒质量为16.5 g，溶液的流速为10 mL/min，浓度为50 mg/L，pH为4.5。Thomas模型和Yoon-Nelson模型能够很好的描述污泥陶粒对Cr(VI)的动态吸附过程，其模型拟合参数为污泥陶粒的实际应用提供了数据参考。
　　利用响应曲面法构建了改性污泥粉末以及污泥陶粒对Cr(VI)的吸附优化方程，分析了改性污泥粉末与污泥陶粒去除 Cr(VI)过程的主要影响因素(pH值、Cr(VI)初始浓度、反应温度)之间交互作用对去除性能的影响。发现 pH值与初始浓度、pH值与温度以及温度与初始浓度之间的交互作用对吸附量存在显著的影响；优化方程对改性污泥粉末和污泥陶粒吸附六价铬的反应条件优化以及吸附量预测比较准确可靠，具有一定的指导意义。
　　综上所述，净水厂污泥基吸附剂对水中Cr(VI)的吸附效果显著，能够应用于重金属废水处理。既实现了废物资源化利用，又减轻了净水厂污泥带来的经济与环境压力，具有现实意义。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 净水厂污泥来源与危害

1.3 净水厂污泥处理的国内外研究现状

1.4 净水厂污泥的资源化利用

1.5 重金属铬的污染现状及去除方法

1.6 本文的主要研究内容

1.7 技术路线

第2章 实验材料与方法

2.1 实验试剂与仪器

2.2污泥基吸附剂的制备

2.3污泥基吸附剂的表征

2.4 污泥基吸附剂的吸附解吸与再生实验

2.5 分析测试方法

2.6 吸附理论基础研究

第3章 净水厂污泥基吸附材料的制备与表征

3.1 引言

3.2 净水厂污泥的性质分析

3.3 污泥粉末吸附剂的制备与表征

3.4污泥陶粒吸附剂的制备与表征

3.5本章小结

第4章 净水厂污泥基吸附材料对水中六价铬的吸附性能研究

4.1 引言

4.2 污泥粉末对六价铬的吸附性能研究

4.3 污泥粉末的解吸与再生循环研究

4.4 污泥陶粒对六价铬的吸附性能研究

4.5 污泥陶粒的解吸与再生循环研究

4.6净水厂污泥基吸附材料去除水中六价铬影响因素优化

4.7 本章小结

第5章 净水厂污泥基吸附材料对水中六价铬的吸附模型研究

5.1 引言

5.2污泥粉末对六价铬的吸附模型研究

5.3 污泥陶粒对六价铬的吸附模型研究

5.4 污泥陶粒对六价铬的动态吸附模型研究

5.5 净水厂污泥产量分析以及污泥基吸附剂的吸附性能比较

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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