薛 姍

(天津市津北水務有限公司， 天津 300403)

廚余垃圾是城市生活垃圾的主要組成部分，主要包括供人類使用后丟棄的生活垃圾。廚余垃圾中含有大量的有機化合物，屬于被放錯位置的資源。我國的廚余垃圾年產(chǎn)量持續(xù)增加，但缺少較完善的垃圾資源化的處理技術(shù)方法。資源化利用廚余垃圾不僅可以避免資源浪費，還可以減少廢棄物的排放，保護環(huán)境。需要采取“綠色環(huán)?！钡姆椒▉斫鉀Q這個問題：首先，找到適當?shù)奶幚韽N余垃圾的工藝方法，實現(xiàn)廚余垃圾可持續(xù)以及垃圾資源化回收利用，減少廚余垃圾的二次污染，充分利用這些被丟棄的資源；其次，使用經(jīng)濟可持續(xù)的方法實現(xiàn)廚余垃圾減量化以及資源化利用。筆者以廚余垃圾為原材料制備新型生物炭，研究其作為吸附劑去除水溶液中氨氮的效果，以實現(xiàn)廢物利用和垃圾資源的循環(huán)利用。此外，吸附后的生物炭可作為肥料應用于土壤中，是一種綠色節(jié)能、經(jīng)濟高效的廢物利用技術(shù)手段。

1 材料與方法

1.1 試驗原材料

廚余垃圾主要取材于食堂，將收集的廚余垃圾分為7種，分別為肉和骨頭、淀粉類、剩菜葉、堅果類、果皮、豆渣以及茶葉渣。

1.2 試驗儀器

馬弗爐、破碎機、電熱鼓風干燥箱、電子天平、超聲波清洗儀、恒溫水浴鍋、pH計、紫外可見分光光度計。

1.3 試驗方法

1.3.1廚余生物炭的制備

將原材料按照分類不同分別放置于通風口處，風干48 h后放入烘箱，于105℃烘干24 h，使用研磨機研磨后經(jīng)100目篩網(wǎng)篩分。將其放入馬弗爐裂解，升溫速率設(shè)定為5℃/min到達最終溫度400℃，停留時間為4 h。待馬弗爐溫度降至室溫，將樣品取出。裂解后的生物炭樣品用研缽進行研磨再過100目篩網(wǎng)待用。生物炭樣品分別標記為MBBC、SSBC、SLVBC、NHSC、FPBC、BDBC和TLBC。

1.3.2吸附試驗

(1)吸附等溫線

稱取0.1 g生物炭于離心管中，分別加入氨氮濃度為5，10，20，50，100和150 mg/L的NH4Cl溶液10 mL，25℃下以150 r/min恒溫震蕩24 h后取出離心管，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，測定濾液中的氨氮濃度。計算平衡時生物炭對氨氮的吸附量qe(mg/g)：

(1)

式中C0為初始氨氮濃度，mg/L；Ce為吸附后濾液中氨氮濃度，mg/L；M為生物炭質(zhì)量，g；V為溶液體積，L。

(2)吸附動力學

稱取0.1 g生物炭于離心管中，加入氨氮濃度為20 mg/L的NH4Cl溶液10 mL，25℃下以120 r/min的震速恒溫震蕩，分別在5，10，15，20，25，30，40，50，60，120，180，240，300，420，720，960，1 020，1 440和2 880 min后取出離心管，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，依據(jù)《納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)測定濾液中的氨氮濃度，計算t時刻生物炭對氨氮的吸附量qt。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 吸附等溫線模型擬合

7種廚余垃圾生物炭對氨氮的等溫吸附線如圖1、圖2所示，生物炭對氨氮的吸附量與初始濃度呈正相關(guān)的關(guān)系。使用Langmuir和Freundlich方程來擬合不同的廚余垃圾生物炭對氨氮的吸附效果。

圖1 生物炭對氨氮的 Langmuir 吸附等溫線

圖2 生物炭對氨氮的 Freundlich 吸附等溫線

Langmuir 等式：

(2)

Freundlich 等式：

(3)

式中，Qe為平衡吸附量，mg/g；Qmax為理論最大吸附量，mg/g；Ce為吸附平衡質(zhì)量濃度，mg/L；KL、KF、n分別為特征常數(shù)，KF和n可分別表達吸附能力和吸附劑表面異質(zhì)性，1/n越小表明吸附劑表面異質(zhì)性越強烈。

由表1可知，生物炭吸附氨氮的Langmuir方程擬合相關(guān)系數(shù)大于Freundlich方程，Langmuir方程可以更好地描述生物炭吸附氨氮的過程。Langmuir方程是單層表面化學吸附模型，這表明吸附過程結(jié)束后，吸附質(zhì)分布在生物炭毛孔結(jié)構(gòu)的表面。由生物炭吸附氨氮的最大容量Qmax可知，氨氮吸附容量最大和最小的生物炭分別為TLBC(7.174 mg/g)和MBBC(2.174 5 mg/g)。由此可推斷富含纖維素、半纖維素的生物質(zhì)，例如水果皮、茶葉渣和堅果皮的吸附效果更好，比表面積和總孔隙體積是影響生物炭吸附氨氮的兩個主要因素。

表1 生物炭對氨氮的Langmuir和Freundlich等溫吸附模型參數(shù)

2.2 吸附動力學模型擬合

7種不同廚余垃圾生物炭吸附氨氮的偽一級動力學和偽二級動力學擬合曲線如圖3所示。

圖3 生物炭吸附氨氮的動力學擬合曲線

從圖3可以看出其吸附量隨著時間的推移而增加，吸附過程為3個階段：在初始吸附階段(0～250 min)，F(xiàn)PBC、NHBC、BDBC、TLBC和SLVBC的吸附量隨時間迅速增加；250～1 500 min吸附速度緩慢下降；在1 500 min后，吸附量沒有明顯增加并趨于平緩直至吸附過程最終達到平衡。SSBC和MBBC的吸附能力比其他5種生物炭的吸附能力更差。在大約1 000 min，這2種生物炭比其他5種提前達到平衡，可能是因為其表面具有比其他5種較強的吸附點位活性，在與污染物反應初期快速達到吸附平衡。

7種廚余垃圾生物炭在持續(xù)1 500 min的周期內(nèi)完成吸附過程，其中FPBC(Qe=3.436 8 mg/g)的平衡吸附量最大，是潛力巨大的吸附劑。為了描述生物炭吸附氨氮的機理，引入偽一級動力學模型和偽二級動力學模型，來描述氨氮吸附實驗數(shù)據(jù)。

偽一級動力學模型等式：

(4)

偽二級動力學模型等式：

(5)

式中Qt為t時刻氨氮的吸附量，mg/g；Qe為吸附達到平衡時氨氮的吸附量，mg/g；K1為偽一級動力學速率常數(shù)，min-1；K2為偽二級動力學速率常數(shù)，g/(mg·min)。

如表2所示，生物炭吸附氨氮擬合偽一級動力學方程的R2值小于偽二級方程，且偽一級方程擬合計算所得的平衡氨氮吸附量qe與實驗所得吸附值差別較大。這可能是因為偽一級動力學方程具有局限性，只適用于描述吸附的初始階段，并不能準確地描述氨氮吸附的全部過程。因此，生物炭吸附氨氮的過程并不符合偽一級動力學模型。

表2 生物炭吸附氨氮的動力學參數(shù)

偽二級動力學方程更適合描述生物炭對于氨氮的吸附過程，由偽二級動力學方程擬合得到的吸附量更符合實驗得出的氨氮吸附量，7種廚余垃圾生物炭對氨氮的吸附行為符合偽二次動力學方程。由此可知，生物炭對氨氮的吸附過程包括外部液體膜擴散、表面吸附和顆粒內(nèi)擴散等在內(nèi)的吸附過程，采用偽二級動力學模型可以更全面地反映實際生物炭吸附氨氮的動力學機制；同時也說明廚余垃圾生物炭對于氨氮的吸附動力學主要受化學作用影響，而不受物質(zhì)傳輸所控制。

3 結(jié)論

以不同種類的廚余垃圾為原材料制備生物炭，探究了不同原材料對生物炭吸附性能的影響，同時研究了廚余垃圾生物炭吸附氨氮的熱力學與動力學行為特征，得出以下結(jié)論：

① 富含纖維素、半纖維素的生物質(zhì)，例如水果皮、茶葉渣和堅果皮制成的生物活性炭對氨氮吸附效果更好，比表面積和總孔隙體積是影響吸附效果的主要因素。

② 偽二級動力學方程能更好地描述生物炭吸附氨氮的動力學過程，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.90，且擬合所得的氨氮平衡吸附容量Qe與實驗值較接近。生物炭吸附氨氮的吸附等溫線可以用Langmuir模型更好地描述，R2均大于0.90。生物炭對氨氮的吸附不僅包括物理吸附，還存在復雜的化學吸附。