北京建筑大学仇付国：给水厂污泥对重金属竞争吸附探究

过硫酸盐氧化是一种新兴的难降解废水高效处理技术，活化后会产生以·OH 和 SO ₄ ^?- 为主的多种活性自由基。其具有较强的氧化性能，在多种难降解废水处理实验中得到验证。

探究了给水厂污泥（WTR）竞争吸附 Pb(II)、Hg(II)、Cr(VI)、Cd(II)四种重金属离子效果和机理。重金属离子自身的相对原子质量、离子半径、电负性及水解常数影响其与给水厂污泥间的亲和力。

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；当Cr(VI)、Hg(II)、Cd(II)共存时，Cr(VI)和Hg(II)的吸附几乎不受影响，Cd(II)的吸附受到抑制； Cr(VI)和Hg(II)共存时具有相互协同作用。

给水厂污泥对重金属离子的吸附机理包括发生共沉淀作用、重金属离子与给水厂污泥的表面官能团发生络合反应、分子间范德华力以及静电引力作用等。给水厂污泥对四种重金属的亲和力大小顺序为Pb(II)>Hg(II)>Cd(II)>Cr(VI)。

 

WTR与Pb(II)、Hg(II)、Cr(VI)、Cd(II)四种重金属离子的亲和力不同，从而导致出现吸附顺序不同〔Pb(II)>Hg(II)>Cd(II)>Cr(VI)〕，重金属离子自身的相对原子质量、水解常数、电负性和水合离子半径等影响吸附顺序。WTR作为吸附剂时可以通过其多孔结构使Hg(II)产生内扩散作用或与Pb(II)、Hg(II)之间产生范德华力从而实现物理吸附；重金属离子也可通过与体系中的 CO32-和OH-形成稳定物质的间接作用或通过与WTR表面的含氧官能团发生络合反应实现吸附。Cr(VI)在体系中以阴离子存在与WTR表面所带正电荷的电性相反，使得其在混合体系中的吸附量不受其他离子的影响，Pb(II)、Hg(II)、Cd(II)与WTR间的亲和力受水解常数和电负性影响，Pb(II)能够在WTR表面形成更加稳定的络合物。

关于给水厂污泥的相关研究绝大多数是在受控条件下通过人工配制的单一重金属溶液进行的，但是实际工业废水中一般含有多种类型的重金属离子，因此探究给水厂污泥对同时存在多种重金属离子溶液的处理能力是必要的。本实验利用模拟废水进行批量实验，探究给水厂污泥对多金属溶液的吸附能力和吸附机理。利用给水厂污泥处理重金属离子，可以在去除重金属离子的同时，缓解给水厂污泥处置压力，实现环境的可持续发展。

利用模拟废水进行批量实验，探究了给水厂污泥对多种重金属共存时的吸附能力和吸附机理。研究了 pH、反应时间和WTR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。考查了WTR对单一重金属体系和Pb(II)-Hg (II)、Cr(VI)-Hg(II)、Pb(II)-Cd(II)二元体系以及Pb(II)-Hg(II)-Cd(II)、Cr(VI)-Hg(II)-Cd(II)三元体系中重金属的吸附量变化。

试验结果表明，在不同pH下，Pb(II)、Hg(II)、Cr(VI)、Cd(II)4种重金属离子在多元体系中的吸附趋势与单一体系相似；Pb(II)-Hg(II)二元体系中，WTR对Pb(II)和Hg(II)的吸附量均小于单一体系的吸附量，Pb(II)和Hg(II)处于同一体系时存在竞争吸附；Cr(VI)-Hg(II)体系中，Cr(VI)的吸附量变化趋势与单一体系中的相似并出现不同程度的增加，Hg(II)无明显变化；在Pb(II)- Cd(II)体系中，WTR对Cd(II)吸附量远低于 Pb(II)，WTR与Pb(II)的亲和性较强，但Pb(II)和Cd(II)的吸附量相较于单一体系均呈现下降的趋势；当 Pb(II)、Hg(II)、Cd(II)存在于同一体系时会出现相互抑制现象；Cr(VI)-Hg(II)-Cd(II)体系中，Hg(II)和Cd(II)对Cr(VI)的吸附量没有影响。

通过比较不同体系中重金属离子的分配系数表明，Pb(II)-Hg(II)、Pb(II)-Cd(II)二元体系中Pb(II)、Hg(II)、Cd(II)的Kd100相较于单一体系都有明显降低，说明 Pb(II)、Hg(II)和Cd(II)共存时存在吸附竞争。同样Pb(II)-Hg(II)-Cd(II)三元体系中Pb(II)、Hg(II)和 Cd(II)的Kd100相较于单一体系也有不同程度的降低，说明三元体系中三种重金属离子之间存在吸附竞争。Cr(VI)-Hg(II)-Cd(II)体系中，Cr(VI)和Hg(II)的吸附几乎不受影响，Cd(II)的吸附受到抑制，原因是Pb(II)、Hg(II)和Cd(II)是在WTR表面形成络合物或产生共价键的形式完成吸附，而Cr(VI)在体系中的存在形式为阴离子，能够与WTR表面的正电荷通过静电吸附或还原为Cr(III)形成络合物完成吸附。

第一作者 ：仇付国，博士，教授，主要从事水处理理论与技术研究，E-mail：qiufuguo@bucea.edu.cn。

（ 来源 ：《工业水处理 》 2022年第9期 ）