给水厂污泥对重金属竞争吸附探究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-1222

摘要/Abstract

摘要：

探究了pH、反应时间和污泥投加量对给水厂污泥竞争吸附Pb（Ⅱ）、Hg（Ⅱ）、Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）4种重金属离子的影响。分析实验结果表明，重金属离子自身的相对原子质量、离子半径、电负性及水解常数都将影响其与给水厂污泥间的亲和力〔Pb（Ⅱ）>Hg（Ⅱ）>Cd（Ⅱ）>Cr（Ⅵ）〕。当Pb（Ⅱ）、Hg（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）处于同一体系时，各离子间存在较强的竞争吸附，Cr（Ⅵ）和Hg（Ⅱ）具有相互协同作用；吸附竞争能力较弱的重金属离子的去除率可以通过增加给水厂污泥的投加量来提高。给水厂污泥对重金属离子的吸附机理包括发生共沉淀现象、重金属离子与给水厂污泥的表面官能团发生络合反应、形成分子间范德华力以及给水厂污泥的多孔结构使Hg（Ⅱ）发生污泥内扩散。

关键词: 给水厂污泥, 竞争吸附, Pb（Ⅱ）, Hg（Ⅱ）, Cr（Ⅵ）, Cd（Ⅱ）

Abstract:

The effects of pH，contact time and sludge dosage on the competitive adsorption of Pb（Ⅱ），Hg（Ⅱ），Cr（Ⅵ） and Cd（Ⅱ） on water treatment residual（WTR） were studied. The results showed that the atomic weight，radius，electronegativity and hydrolysis constant of heavy metal ions would affect the affinity between heavy metal ions and sludge〔Pb（Ⅱ）>Hg（Ⅱ）>Cd（Ⅱ）>Cr（Ⅵ）〕. When Pb（Ⅱ），Hg（Ⅱ），Cd（Ⅱ） were in the same system，there was strong competitive adsorption among the ions，and Cr（Ⅵ） and Hg（Ⅱ） had synergistic effect. The removal rate of heavy metal ions with weak adsorption competitiveness could be improved by increasing the dosage of WTR. The adsorption mechanism of heavy metal ions on WTR included coprecipitation，complexation reaction with surface functional groups of WTR，formation of intermolecular Van Der Waals force and porous structure of WTR，which makes Hg（Ⅱ） diffuse inside the WTR to remove it.

Key words: water treatment residual, competitive adsorption, Pb（Ⅱ）, Hg（Ⅱ）, Cr（Ⅵ）, Cd（Ⅱ）

中图分类号:

X703.1

仇付国, 王肖倩, 童诗雨, 吕华东. 给水厂污泥对重金属竞争吸附探究[J]. 工业水处理, 2022, 42(9): 72-78.

Fuguo QIU, Xiaoqian WANG, Shiyu TONG, Huadong LÜ. Explore the competitive adsorption of heavy metals by water treatment residual[J]. Industrial Water Treatment, 2022, 42(9): 72-78.

https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I9/72

图/表 7

表1 给水厂污泥成分分析

Table 1 Primary elements of WTR

元素	C	Al	Si	Fe	N	Ca	S	O	Mg	Na	Cl	K
质量分数/%	32.8	7.21	4.55	4.47	2.07	1.76	0.57	44.6	0.24	0.18	0.14	0.13

图1 pH对给水厂污泥处理多元重金属体系的影响

Fig. 1 The influence of pH on the treatment system of multiple heavy metals by WTR

图2 时间对给水厂污泥处理多元重金属体系的影响

Fig. 2 The influence of time on the treatment system of multiple heavy metals by WTR

图3 多元系统中WTR投加量对重金属去除率的影响

Fig.3 The removal rate of heavy metals with different dosage in a multi-component system

表2 不同体系中重金属离子的分配系数

Table 2 Distribution coefficients of heavy metal ions in different systems

体系		K _d100 /（L·g^-1）
体系		Pb（Ⅱ）	Cr（Ⅵ）	Hg（Ⅱ）	Cd（Ⅱ）
单一		1.34	0.18	0.53	0.21
二元	Pb（Ⅱ）-Hg（Ⅱ）	0.85	—	0.23	—
	Cr（Ⅵ）-Hg（Ⅱ）	—	0.15	0.56	—
	Pb（Ⅱ）-Cd（Ⅱ）	0.87	—	—	0.16
三元	Pb（Ⅱ）-Hg（Ⅱ）-Cd（Ⅱ）	0.52	—	0.21	0.05
三元	Cr（Ⅵ）-Hg（Ⅱ）-Cd（Ⅱ）	—	0.17	0.51	0.15

表3 4种重金属离子的基本物化性质

Table 3 Basic characteristics of four heavy meatal ions

重金属离子	Pb（Ⅱ）	Hg（Ⅱ）	Cd（Ⅱ）	Cr（Ⅵ）
相对原子质量	207.20	200.60	112.40	51.99
水解常数负对数pK _H	7.71	5.90	10.10	3.90
水合半径/nm	0.401	0.421	0.426	0.43
电负性	2.33	2.00	1.69	1.66
离子半径/pm	119	102	95	44

图4 给水厂污泥吸附Pb（Ⅱ）、Hg（Ⅱ）机理

Fig. 4 Adsorption mechanism of Pb（Ⅱ），Hg（Ⅱ） by WTR

参考文献 24

1	DU Zhaolin， ZHENG Tong， WANG Peng，et al. Fast microwave-assisted preparation of a low-cost and recyclable carboxyl modified lignocellulose-biomass jute fiber for enhanced heavy metal removal from water［J］. Bioresource Technology，2016，201：41-49． doi:10.1016/j.biortech.2015.11.009
2	SARKAR S， SARKAR S， BISWAS P. Effective utilization of iron ore slime，a mining waste as adsorbent for removal of Pb（Ⅱ） and Hg（Ⅱ）［J］. Journal of Environmental Chemical Engineering，2017，5（1）：38-44． doi:10.1016/j.jece.2016.11.015
3	CHU Yuting， KHAN M A， XIA Mingzhu，et al. Synthesis and micro-mechanistic studies of histidine modified montmorillonite for lead（Ⅱ） and copper（Ⅱ） adsorption from wastewater［J］. Chemical Engineering Research and Design，2020，157：142-152． doi:10.1016/j.cherd.2020.02.020
4	GHASEMI S S， HADAVIFAR M， MALEKI B，et al. Adsorption of mercury ions from synthetic aqueous solution using polydopamine decorated SWCNTs［J］. Journal of Water Process Engineering，2019，32：100965． doi:10.1016/j.jwpe.2019.100965
5	SILVETTI M， CASTALDI P， GARAU G，et al. Sorption of cadmium（Ⅱ） and zinc（Ⅱ） from aqueous solution by water treatment residuals at different pHs［J］. Water，Air，& Soil Pollution，2015，226（9）：1-13． doi:10.1007/s11270-015-2578-0
6	LIU Liheng， LIU Xiu， WANG Dunqiu，et al. Removal and reduction of Cr（Ⅵ） in simulated wastewater using magnetic biochar prepared by co-pyrolysis of nano-zero-valent iron and sewage sludge［J］. Journal of Cleaner Production，2020，257：120562. doi:10.1016/j.jclepro.2020.120562
7	WANG Lele， YUAN Xingzhong， ZHONG Hua，et al. Release behavior of heavy metals during treatment of dredged sediment by microwave-assisted hydrogen peroxide oxidation［J］. Chemical Engineering Journal，2014，258：334-340. doi:10.1016/j.cej.2014.07.098
8	FANG Xiaojie， ZHU Sidi， MA Jianzhe，et al. The facile synthesis of zoledronate functionalized hydroxyapatite amorphous hybrid nanobiomaterial and its excellent removal performance on Pb²⁺ and Cu²⁺ ［J］. Journal of Hazardous Materials，2020，392：122291. doi:10.1016/j.jhazmat.2020.122291
9	HAMAD H， EL-LATIF M ABD， KASHYOUT A E H，et al. Optimizing the preparation parameters of mesoporous nanocrystalline titania and its photocatalytic activity in water：Physical properties and growth mechanisms［J］. Process Safety and Environmental Protection，2015，98：390-398. doi:10.1016/j.psep.2015.09.011
10	ZHOU Yafeng， HAYNES R J. Removal of Pb（Ⅱ），Cr（Ⅲ） and Cr（Ⅵ） from aqueous solutions using alum-derived water treatment sludge［J］. Water，Air，& Soil Pollution，2011，215（1/2/3/4）：631-643. doi:10.1007/s11270-010-0505-y
11	ZENG Guangyong， HE Yi， ZHAN Yingqing，et al. Novel polyvinylidene fluoride nanofiltration membrane blended with functionalized halloysite nanotubes for dye and heavy metal ions removal［J］. Journal of Hazardous Materials，2016，317：60-72. doi:10.1016/j.jhazmat.2016.05.049
12	PANAYOTOVA T， DIMOVA-TODOROVA M， DOBREVSKY I. Purification and reuse of heavy metals containing wastewaters from electroplating plants［J］. Desalination，2007，206（1/2/3）：135-140. doi:10.1016/j.desal.2006.03.563
13	SOBHANARDAKANI S， JAFARI A， ZANDIPAK R，et al. Removal of heavy metal〔Hg（Ⅱ） and Cr（Ⅵ）〕 ions from aqueous solutions using Fe₂O₃@SiO₂ thin films as a novel adsorbent［J］. Process Safety and Environmental Protection，2018，120：348-357. doi:10.1016/j.psep.2018.10.002
14	QIU Fuguo， WANG Juanli， ZHAO Dongye，et al.Adsorption of myo-inositol hexakisphosphate in water using recycled water treatment residual［J］. Environmental Science and Pollution Research International，2018，25（29）：29593-29604. doi:10.1007/s11356-018-2971-5
15	MAKRIS K C， SARKAR D， PARSONS J G，et al. X-ray absorption spectroscopy as a tool investigating arsenic（Ⅲ） and arsenic（Ⅴ） sorption by an aluminum-based drinking-water treatment residual［J］. Journal of Hazardous Materials，2009，171（1/2/3）：980-986. doi:10.1016/j.jhazmat.2009.06.102
16	马晨阳，段润斌，杜震宇. 净水厂干化铝污泥对水中Pb²⁺和Cu²⁺的吸附研究［J］. 工业水处理，2020，40（2）：59-62.
	MA Chenyang， DUAN Runbin， DU Zhenyu. Adsorption of Pb²⁺ and Cu²⁺ in water by dried alum-sludge from a water treatment plant［J］. Industrial Water Treatment，2020，40（2）：59-62.
17	HOVSEPYAN A， BONZONGO J C J. Aluminum drinking water treatment residuals（Al-WTRs） as sorbent for mercury：Implications for soil remediation［J］. Journal of Hazardous Materials，2009，164（1）：73-80. doi:10.1016/j.jhazmat.2008.07.121
18	MAKRIS K C， SARKAR D， DATTA R. Evaluating a drinking-water waste by-product as a novel sorbent for arsenic［J］. Chemosphere，2006，64（5）：730-741. doi:10.1016/j.chemosphere.2005.11.054
19	CAPORALE A G， PUNAMIYA P， PIGNA M，et al. Effect of particle size of drinking-water treatment residuals on the sorption of arsenic in the presence of competing ions［J］. Journal of Hazardous Materials，2013，260：644-651. doi:10.1016/j.jhazmat.2013.06.023
20	ELZINGA E J， SPARKS D L. Reaction condition effects on nickel sorption mechanisms in illite-water suspensions［J］. Soil Science Society of America Journal，2001，65（1）：94-101. doi:10.2136/sssaj2001.65194x
21	YANG Weichun， TANG Qiongzhi， WEI Jingmiao，et al. Enhanced removal of Cd（Ⅱ） and Pb（Ⅱ） by composites of mesoporous carbon stabilized alumina［J］. Applied Surface Science，2016，369：215-223. doi:10.1016/j.apsusc.2016.01.151
22	ÇORUH S， ŞENEL G， ERGUN O N. A comparison of the properties of natural clinoptilolites and their ion-exchange capacities for silver removal［J］. Journal of Hazardous Materials，2010，180（1/2/3）：486-492. doi:10.1016/j.jhazmat.2010.04.056
23	王哲，黄国和，安春江，等. Cu²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺在高炉水淬渣上的竞争吸附特性［J］. 化工进展，2015，34（11）：4071-4078.
	WANG Zhe， HUANG Guohe， AN Chunjiang，et al. Competitive adsorption characteristics of water-quenched blast furnace slag（WBFS） towards Cu²⁺，Cd²⁺ and Zn²⁺ ［J］. Chemical Industry and Engineering Progress，2015，34（11）：4071-4078.
24	LIU Changkun， BAI Renbi， SAN LY Q.Selective removal of copper and lead ions by diethylenetriamine-functionalized adsorbent：Behaviors and mechanisms［J］. Water Research，2008，42（6/7）：1511-1522. doi:10.1016/j.watres.2007.10.031

[1]	唐恒军, 邱彪, 司马卫平, 唐建. 酸改性酒糟生物炭对Cr（Ⅵ）的去除性能研究[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 144-151.
[2]	王文豪, 程业兴, 王雨银, 侯婷婷, 吴晓峰, 李玉才. 不同种类活性炭对mZVI/活性炭吸附还原Cr（Ⅵ）的影响[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 150-158.
[3]	胡雅, 孙晓蕾, 陆静宇, 孙秀云. 泰妙菌素废盐活性炭的制备及吸附EDTA-Pb（Ⅱ）的研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 133-139.
[4]	王森, 王盈, 张苑茹, 李晨, 董志魁, 陈文慧, 孙福乐, 吉人杰. 壳聚糖改性水热炭对制革生化尾水中Cr（Ⅵ）的去除研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 123-132.
[5]	王茁伊, 付鹏, 王润琪, 刘鹏, 于妍. 提取腐殖酸后的褐煤残渣对水中Cr（Ⅵ）的吸附研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(1): 137-144.
[6]	狄军贞, 杨瑞琪, 董艳荣, 鲍斯航, 王显军. 改性褐煤对酸性矿山废水中Cr（Ⅵ）的吸附性能研究[J]. 工业水处理, 2022, 42(5): 103-109.
[7]	李秀玲,梁艳玲,邓丽霞,辛磊. 聚磷氯化铝铁混凝剂处理含Cr（Ⅵ）废水的研究[J]. 工业水处理, 2021, 41(8): 101-105.
[8]	周雅兰,周冰. Fe浸渍污泥生物炭对含Cd（Ⅱ）废水的吸附性能研究[J]. 工业水处理, 2021, 41(5): 80-85.
[9]	李喜林,李克新,刘玲,马佳递,于晓婉. 多硫化钙还原高浓度含铬废水实验研究[J]. 工业水处理, 2021, 41(12): 51-55.
[10]	彭映林,范志伟,刘肖,易盛炜. 新型微电解材料的制备及其对水中Cr（Ⅵ）的处理[J]. 工业水处理, 2020, 40(6): 59-63.
[11]	邓灿辉,粟建光,戴志刚,唐蜻,杨泽茂,程超华,许英,刘婵,谢冬微,陈基权. 改性黄麻生物吸附剂同时去除水体中Cr（Ⅵ）和橙黄G[J]. 工业水处理, 2020, 40(5): 94-99.
[12]	吴成晨,肖瑜,吴川,郑潇,陈钊,舒小华. Zn-MOF-74对Cd（Ⅱ）的吸附性能及机理研究[J]. 工业水处理, 2020, 40(2): 63-67.
[13]	阚金涛,刘传犇,王敬阳,张超奇,袁雷,钟政昌. 光核桃核壳活性炭对Cr（Ⅵ）的吸附机理探究[J]. 工业水处理, 2020, 40(10): 76-80.
[14]	张秋平, 张文银, 罗鸿威, 郭鹏翔. 聚乙烯亚胺修饰的氧化石墨烯对Cr(Ⅵ)的吸附性能研究[J]. 工业水处理, 2019, 39(4): 49-52.
[15]	杨振彦, 李巧玲. 以壳聚糖膜为可再生吸附剂提取废水中的Cr(Ⅵ)[J]. 工业水处理, 2019, 39(3): 71-74.

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容