给水厂污泥吸附磷的动力学和热力学研究

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摘要：对某给水厂污泥用含磷为10mg/L的模拟废水进行了吸附性能的研究。结果表明：该给水厂污泥可有效吸附处理含磷废水，吸附量可达0.154mg/g。吸附过程符合二级吸附动力学模型，通过模型计算出了二级吸附速率常数（k2）为11.912310-3g·mg-1·min-1；热力学研究结果表明：吸附过程可以用Freundlich方程描述，相关系数在0.99以上；计算吸附热力学参数：吸附自由能（ΔG）、吸附熵（ΔS）和吸附焓（ΔH）， 给水厂污泥对磷的ΔH为-83.34kJ·mol-1，ΔG和ΔH均为负值，表明吸附为一自发的放热过程。

关键词：给水厂污泥；磷；吸附；废水处理

中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：16749944（2013）02012903

1引言

磷是使水体富营养化的主要控制因子，有效去除磷，已成为防治水体富营养化的主要途径＼[1，2＼]。吸附法除磷可有效去除水中的磷，但由于常规吸附剂价格昂贵，处理成本高，所以对廉价、高效的吸附剂的开发已成为一个研究热点＼[3～5＼]。

给水厂污泥主要由悬浮物、胶体物质、有机物、微生物以及生产过程中加入的混凝药剂等组成，是一种多孔、大比表面的固体物质，可以用作吸附剂。本文对给水厂污泥吸附水中磷的性能进行了研究，探讨含磷废水低成本处理方法。

2材料与方法

2.1实验材料

给水厂污泥：取自西安市南郊水厂，于100 ℃ 烘干48 h，研碎后用筛子筛分，得到粒径为60目的粉末。

实验配水：由于典型的生活污水中总磷含量在3～15mg/L （以磷计） ，且在废水除磷过程中， 主要关注正磷酸盐的去除＼[6＼]。因此实验用水采用人工配制的正磷酸盐溶液，浓度为10.0mg/L （以磷计）。

2.2实验仪器

SHA-B恒温振荡器，VIS-7220分光光度计，AB104-N分析天平，202A-1型恒温干燥箱。

2.3实验方法

2.3.1吸附动力学

移取6份50mL，10mg/L的正磷酸盐溶液于6个250mL锥形瓶中，分别称取3g给水厂干污泥依次加入锥形瓶中，pH值为6，于25℃的恒温振荡器中振荡，依次在不同的时间取出锥形瓶，过滤，采用磷钼蓝分光光度法测定磷含量。按式（1）和（2）计算去除率和吸附量。

去除率：R=（1-C/C0）×100%（1）

吸附量：q=C0-C1213m×v12131000（2）

式中 C0、C分别为吸附前后磷的浓度，mg/L；v为原水体积，mL；m为给水厂干污泥用量，g。

2.3.2吸附等温线

分别将3g干污泥投入50 mL浓度为1～25 mg/L含磷溶液中，在25℃、30℃、40℃时振荡30min后过滤，取滤液，测定磷浓度。

3结果与讨论

3.1吸附动力学

给水厂污泥吸附磷的吸附量随时间的变化见图1。

已经达到吸附饱和，此时去除率达93.35%，饱和吸附量为0.154mg/g。

采用Lagergren一级吸附速率方程和二级吸附速率方程对吸附过程进行拟合。拟合参数如表1所示。拟合公式如下。

Lagergren一级吸附速率方程的直线形式为：

log10（qe-qt）=log10qe-k112132.303t（3）

式中qt为t时刻的吸附量，mg/g；k1为一级吸附速率常数，min-1；qe为平衡吸附量，mg/g。

Lagergren二级动力学模型的直线形式为：

t1213qt=11213k2q2e+11213qet（4）

2013年2月绿色科技第2期

程爱华，等：给水厂污泥吸附磷的动力学和热力学研究环境与安全

式中k2为二级吸附速率常数，g·mg-1·min-1。

表1给水厂污泥吸附磷的动力学拟合参数

速率方程1213吸附速率常数1213相关系数R2一级动力学模型12135.628min-112130.373二级动力学模型121311.912×10-3g·mg-1·min-112130.999

通过对比发现给水厂污泥对磷的吸附动力学符合Lagergren二级吸附动力学模型。其相关系数R2大于0.99，说明给水厂污泥对磷的吸附主要是以化学吸附为主。

3.2吸附等温线

不同温度下的吸附等温线见图2。

3.3吸附热力学

通过以下方程计算给水厂干污泥吸附磷的吸附自由能（ΔG） ，吸附焓（ΔH）和吸附熵（ΔS ）＼[7＼]。

ΔG=-RTlnKF，ΔG=ΔH -TΔS，

lnKF=ΔS/R-ΔH/RT

式中R为热力学常数，8.314 J·K-1·mol-1；T为绝对温度，KF为Freundlich方程中的常数。

给水厂干污泥对含磷废水的吸附热力学参数见表3。

4结语

给水厂污泥可吸附水中磷，吸附量可达0.154mg/g。吸附过程可用二级吸附动力学方程来描述，符合Freundlich等温吸附模型，说明给水厂污泥吸附磷主要是以化学吸附为主。通过热力学函数的估算，得到：ΔH为-83.34kJ·mol-1，说明该吸附是放热过程；ΔG、ΔS均为负值，表明该吸附过程是自发进行的，吸附过程发生以后，整个体系的混乱度变小了。

参考文献：

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