活化市政污泥生物質(zhì)炭的制備及其對水中亞甲基藍的去除

曾軍，田宇萱，余貴杰，王九玲，張文博

(西北民族大學化工學院，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、高效處理污泥技術。國內(nèi)外現(xiàn)有污泥處置技術包括土地利用、焚燒及填埋等，但是土地利用目前存在重金屬超標、有機污染物處理不當產(chǎn)生二次污染、微生物污染等問題，焚燒會產(chǎn)生大量有機尾氣、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)中含有大量有機物及微生物，將其進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物及微生物，還可以實現(xiàn)污泥資源再利用，是目前國內(nèi)外研究的熱點[2]。但是，簡單燜燒制備的生物質(zhì)炭由于污泥中有機物含量不高、活化不充分等，致使制備的生物質(zhì)炭吸附能力較低，這大大限制了其應用領域[3]。因此，文章采用固體氫氧化鉀對制備的市政污泥生物質(zhì)炭(MSB)進行活化，研究其活化前后的結(jié)構，并考察了活化后生物質(zhì)炭(AMSB)對亞甲基藍(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、亞甲基藍等試劑均為分析純；實驗用水為去離子水。

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

1.2 材料制備

將市政污泥置于剛玉坩堝中，壓實后蓋嚴置于馬弗爐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，置于氮氣馬弗爐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)對制備的樣品進行表征。

1.4 實驗方法

動力學實驗，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 時取出，離心分離后，利用分光光度計在664 nm 下測得上清液中MB 濃度。利用偽一級和偽二級動力學方程中進行擬合，其公式如下：

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

等溫線實驗，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所致。

2.2 吸附動力學

圖2 AMSB對MB的吸附動力學擬合模型圖

表1 AMSB對MB的吸附動力學擬合參數(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，吸附過程中偽二級方程擬合優(yōu)于偽一級，這是由于其R2更大，其平衡吸附量qe和實驗數(shù)據(jù)較為接近，偽二級方程的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MB的吸附等溫線擬合模型圖

表2 AMSB對MB的吸附等溫線擬合參數(shù)表

AMSB 對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MB 為單層吸附，并且其表面更為均一，同時其對MB 在298K 時的最大吸附量可達132.66 mg/g，這遠遠高于未經(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，其對水體中的亞甲基藍吸附量在298 K 時最大可達132.66 mg/g，這遠遠高于未經(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動力學方程，吸附模型更適合Langmuir 模型，這種活化方法有望實現(xiàn)市政污泥的資源化利用。