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        活化市政污泥生物質(zhì)炭的制備及其對(duì)水中亞甲基藍(lán)的去除

        2021-05-14 07:28:14曾軍田宇萱余貴杰王九玲張文博
        化工管理 2021年8期
        關(guān)鍵詞:等溫線碳化生物質(zhì)

        曾軍,田宇萱,余貴杰,王九玲,張文博

        (西北民族大學(xué)化工學(xué)院,甘肅 蘭州 730030)

        0 引言

        隨著我國城鎮(zhèn)化速度的加快,市政污水處理廠規(guī)模和數(shù)量不斷增加,市政污泥量也在逐年呈規(guī)模增長,這就使得污泥處置迫在眉睫,亟需科學(xué)、高效處理污泥技術(shù)。國內(nèi)外現(xiàn)有污泥處置技術(shù)包括土地利用、焚燒及填埋等,但是土地利用目前存在重金屬超標(biāo)、有機(jī)污染物處理不當(dāng)產(chǎn)生二次污染、微生物污染等問題,焚燒會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)尾氣、能耗過高,簡單填埋面臨土地短缺及污染物二次遷移等問題。

        研究表明,市政污泥(WS)中含有大量有機(jī)物及微生物,將其進(jìn)行高溫碳化制備得到生物質(zhì)炭[1],不僅可以碳化固定有機(jī)物及微生物,還可以實(shí)現(xiàn)污泥資源再利用,是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2]。但是,簡單燜燒制備的生物質(zhì)炭由于污泥中有機(jī)物含量不高、活化不充分等,致使制備的生物質(zhì)炭吸附能力較低,這大大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域[3]。因此,文章采用固體氫氧化鉀對(duì)制備的市政污泥生物質(zhì)炭(MSB)進(jìn)行活化,研究其活化前后的結(jié)構(gòu),并考察了活化后生物質(zhì)炭(AMSB)對(duì)亞甲基藍(lán)(MB)的吸附性能。

        1 材料與方法

        1.1 原料與儀器

        市政污泥,取自蘭州市某污水處理廠,自然干燥粉碎后備用;氫氧化鉀、鹽酸、亞甲基藍(lán)等試劑均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

        恒溫水浴振蕩器,電子天平,紫外可見分光光度計(jì)(SHIMADZU, UV-1280,日本)。

        1.2 材料制備

        將市政污泥置于剛玉坩堝中,壓實(shí)后蓋嚴(yán)置于馬弗爐350 ℃燜燒1 h,去離子水清洗干燥后,稱取碳化后的市政污泥樣品3 g,稱取氫氧化鉀固體1.5 g,在研缽中充分混合研磨后,置于氮?dú)怦R弗爐800 ℃活化2 h,升溫速率10 ℃/min,自然冷卻至室溫后,稀鹽酸中和,去離子水洗滌至中性后,干燥備用。

        1.3 材料表征

        利用傅里葉紅外光譜儀(FTIR,Thermo,美國)和X 射線衍射儀(XRD,PANalytical,荷蘭)對(duì)制備的樣品進(jìn)行表征。

        1.4 實(shí)驗(yàn)方法

        動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn),分別在298 K、308 K 和318 K 下,在50 mL三角瓶中添加50 mg 樣品,并投加25 mL200 mg/L MB 溶液。分別于5、10、15、30、60、120、180、240 和360 min 時(shí)取出,離心分離后,利用分光光度計(jì)在664 nm 下測(cè)得上清液中MB 濃度。利用偽一級(jí)和偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程中進(jìn)行擬合,其公式如下:

        式中:qt為不同時(shí)間的吸附量(mg/g);qe為該濃度下方程確定的最大吸附量(mg/g);k1和k2為偽一級(jí)和偽二級(jí)方程的速率常數(shù)。

        等溫線實(shí)驗(yàn),分別在298 K、308 K 和318 K 下,在50 mL三角瓶中添加50 mg 樣品,分別加入25 mL 的不同濃度(50、100、150、200、250、300 和350 mg/L) 的MB 溶 液,吸附240 min 后測(cè)定其濃度。將濃度分別帶入Langmuir 和Freundlich 模型中,其公式如下:

        式中:qe為吸附量(mg/g);qm為飽和吸附量(mg/g);Ce為MB 剩余濃度(mg/L);KL(L/g)是Langmuir 常數(shù);KF(mg/g(L/mg)1/n)和n 是Freundlich 常數(shù)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 材料紅外和XRD 表征

        圖1 材料的紅外譜圖和XRD譜圖

        從圖1 紅外譜圖可以看出,MS 經(jīng)過碳化后,其3400 cm-1附近處-OH 的伸縮振動(dòng)峰明顯減弱,經(jīng)過活化后,其2922 cm-1處的-C-H 峰1543 cm-1處C=O 峰消失,這說明市政污泥經(jīng)過碳化、活化后,已經(jīng)成功被碳化。從XRD 譜圖可以看出,經(jīng)過活化后,其26.6°處石英相的特征峰幾乎消失,這可能是由于高溫下二氧化硅與氫氧化鉀反應(yīng)所致。

        2.2 吸附動(dòng)力學(xué)

        圖2 AMSB對(duì)MB的吸附動(dòng)力學(xué)擬合模型圖

        表1 AMSB對(duì)MB的吸附動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)表

        由圖2 可以看出,吸附過程大致可以分為兩個(gè)階段,開始的15 min 內(nèi),大約80%以上的MB 已經(jīng)被吸附,然后進(jìn)入緩慢吸附階段直至吸附平衡。隨著溫度的升高,平衡吸附量均有所增加,這說明吸附過程是吸熱的過程。

        由表1 可以看出,吸附過程中偽二級(jí)方程擬合優(yōu)于偽一級(jí),這是由于其R2更大,其平衡吸附量qe和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為接近,偽二級(jí)方程的k2值隨著溫度的變化而變化,這說明直接影響吸附速率。

        2.3 吸附等溫線

        圖3 AMSB對(duì)MB的吸附等溫線擬合模型圖

        表2 AMSB對(duì)MB的吸附等溫線擬合參數(shù)表

        AMSB 對(duì)MB 的吸附等溫線擬合模型圖如圖3 所示,由表2 可以看出,吸附過程更適合Langmuir 模型,這是由于其R2值高于Freundlich 模型,這說明其對(duì)MB 為單層吸附,并且其表面更為均一,同時(shí)其對(duì)MB 在298K 時(shí)的最大吸附量可達(dá)132.66 mg/g,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未經(jīng)活化的市政污泥生物質(zhì)炭的吸附量,說明其對(duì)MB 具有優(yōu)異的吸附性能。

        3 結(jié)語

        市政污泥經(jīng)過燜燒、活化后,其對(duì)水體中的亞甲基藍(lán)吸附量在298 K 時(shí)最大可達(dá)132.66 mg/g,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未經(jīng)活化的市政污泥生物質(zhì)炭的吸附量,且吸附過程符合偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,吸附模型更適合Langmuir 模型,這種活化方法有望實(shí)現(xiàn)市政污泥的資源化利用。

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