樹(shù)葉改性污泥基生物炭對(duì)Cr⁶⁺的吸附研究

張志婷 呂舒怡 呂昕雅 王伊妹 王建德 程寒 劉亞利

摘 要：本研究采用雜交鵝掌楸落葉對(duì)污泥基活性炭（SAC）進(jìn)行改性后得到MSAC，并研究SAC和MSAC對(duì)Cr6+的吸附性能。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)SAC和MSAC進(jìn)行表征分析表明，添加樹(shù)葉使得MSAC比SAC具有更好的表面和孔隙結(jié)構(gòu)。同時(shí)，生物炭添加量、吸附時(shí)間、pH和Cr6+初始濃度對(duì)Cr6+的吸附研究發(fā)現(xiàn)，MSAC對(duì)Cr6+的去除率優(yōu)于SAC，最大去除率分別為81.7%和65.4%。最佳吸附條件為：初始濃度10mg/L、pH為2、投加量4g/L、吸附時(shí)間150min。

關(guān)鍵詞：剩余污泥; 雜交鵝掌楸落葉; Cr6+;去除率

中圖分類(lèi)號(hào)：X703? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2021）12-165-003

重金屬是造成水環(huán)境污染的重要因素之一。鉻（Cr）作為重金屬的代表，廣泛應(yīng)用于電鍍、印刷、制藥、冶金、造紙、皮革、印染等行業(yè)[1]。水中的Cr6+具有易溶于水、劇毒、強(qiáng)氧化、致癌、致突變等特點(diǎn)[2，3]。因此，有效去除Cr6+對(duì)環(huán)境保護(hù)和人類(lèi)健康非常重要。

迄今為止，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種技術(shù)來(lái)降低水中的Cr6+[4-6]。吸附法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、吸附效率高、吸附污染物范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，受到青睞[7]。近年來(lái)，利用污泥等低成本的生物質(zhì)制備活性炭，并用來(lái)吸附去除重金屬成為研究熱點(diǎn)[4]。針對(duì)污泥灰分高、孔隙不發(fā)達(dá)等缺點(diǎn)，適當(dāng)添加纖維素含量較高的農(nóng)業(yè)廢棄物，能夠有效改善污泥基生物炭的理化性能，提高對(duì)污染物的去除能力[7-11]。

因此，本文采用雜交鵝掌楸的落葉對(duì)污泥基生物炭進(jìn)行改性（SAC），并對(duì)比研究了改性后的生物炭（MSAC）與SAC對(duì)Cr6+的吸附效果。重點(diǎn)考察了吸附時(shí)間、Cr6+初始濃度、pH值、生物炭投加量對(duì)Cr6+的去除效率。同時(shí)，采用掃描電鏡（SEM）分析了改性前后生物炭的性質(zhì)。

1.材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用污泥和雜交鵝掌楸落葉制備生物炭。污泥取自江寧開(kāi)發(fā)區(qū)污水處理廠(chǎng)的脫水機(jī)房，落葉收集自南京林業(yè)大學(xué)。

1.2活性炭樣品制備

將污泥和落葉經(jīng)100℃烘箱烘干至恒重后，粉碎過(guò)50目篩備用。污泥中加入3mol/L的ZnCl2溶液（固液比1：3）后，將燒杯置于35℃、200rpm的恒溫?fù)u床中振蕩24h，而后10000rpm離心5min后100℃繼續(xù)烘干至恒重。然后，在550℃的馬弗爐中熱解45min取出，用1.0mol/L的HCl清洗1遍后水洗至中性。最后，100℃繼續(xù)烘干至恒重得到SAC。同時(shí)，污泥和落葉質(zhì)量比為2：3混合，用上述方法制備的生物炭為MSAC。

1.3試驗(yàn)方法

采用批次試驗(yàn)研究MSAC和SAC對(duì)Cr6+的吸附影響。向一系列250mL錐形瓶中分別加入10-50mg/L的Cr6+溶液，然后分別加入1-6g/L的MSAC或SAC，再用1.0mol/L的HCl或NaOH將溶液pH分別調(diào)至2-10，將錐形瓶置于振蕩速率200rpm的振蕩器中，考察240min內(nèi)的Cr6+濃度的變化。

1.4檢測(cè)方法

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（JSM-7600F，Japan）觀察SAC和MSAC的表面形態(tài)。采用pH計(jì)（PHS-3C，雷磁）測(cè)定pH值。每隔一定時(shí)間取出2mL溶液經(jīng)0.45μm膜過(guò)濾后，在540nm的紫外分光光度計(jì)分析Cr6+濃度。

1.5數(shù)據(jù)分析

Cr6+的去除率（E，%）計(jì)算如公式（1）所示：

其中，Ci（mg/L）和Ce（mg/L）分別為Cr6+的初始濃度和平衡濃度。

2.結(jié)果與討論

2.1生物炭的掃描電鏡分析

SAC和MSAC的SEM如圖1所示。由圖可見(jiàn)，SAC的表面較松散、孔隙的形狀不規(guī)則，表面有較多的小顆粒雜質(zhì)。MSAC的表面相對(duì)光滑、結(jié)構(gòu)較緊實(shí)，孔隙形狀規(guī)則深度較深，七孔隙比SAC更加發(fā)達(dá)。這說(shuō)明添加樹(shù)葉有助于孔隙的形成，能夠?yàn)镃r6+提供充足吸附點(diǎn)位。

2.2活性炭投加量對(duì)Cr6+的吸附影響

Cr6+初始濃度30mg/L、pH為2、吸附時(shí)間為90min、溫度297K條件下，SAC和MSAC投加量對(duì)Cr6+的吸附影響如圖2所示。

由圖可見(jiàn)，Cr6+的去除率隨SAC和MSAC投加量的增加先快速升高，而后逐漸穩(wěn)定。例如當(dāng)MSAC投加量從1g/L增加到4g/L時(shí)，Cr6+去除率由50.9%提高到81.7%，繼續(xù)增加MSAC至6g/L時(shí)，Cr6+去除率僅提高至83.8%。投加SAC反應(yīng)器中的最大Cr6+去除率為72.1%，比相應(yīng)的MSAC反應(yīng)器低了13.98%。MSAC在較低濃度下對(duì)Cr6+具有更好的吸附效果，主要是因?yàn)樘砑訕?shù)葉改性后，MSAC的孔隙得到改善，能夠?yàn)镃r6+提供更多的活性點(diǎn)位[12]。

2.3吸附時(shí)間對(duì)Cr6+的吸附影響

Cr6+初始濃度為30mg/L、pH為2，溫度273K、SAC和MSAC的投加量為4g/L時(shí)，吸附時(shí)間對(duì)Cr6+的吸附影響如圖3所示。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，Cr6+的去除率逐漸升高，當(dāng)吸附240min時(shí)，SAC和MSAC對(duì)Cr6+去除率分別為69.6%和85.3%。此外，吸附初期，Cr6+濃度較高、吸附點(diǎn)位充足，去除率快速升高，而到了后期，隨著吸附點(diǎn)位減少、Cr6+濃度降低，MSAC和SAC對(duì)Cr6+的吸附和解析速率相近，吸附達(dá)到平衡[13]。

2.4 pH值對(duì)Cr6+的吸附影響

SAC和MSAC的投加量為4g/L、Cr6+初始濃度為30mg/L、吸附時(shí)間為90min、溫度為297K時(shí)，pH值對(duì)Cr6+的影響如圖4所示。SAC和MSAC對(duì)Cr6+的去除率均隨pH值的升高呈下降趨勢(shì)，且任意pH條件下MSAC的去除率均高于SAC。例如，當(dāng)pH=2時(shí)，SAC和MSAC對(duì)Cr6+的去除率分別為66.8%和88.9%。主要是因?yàn)樘砑訕?shù)葉使得MSAC表面增加了-OH、-COOH等帶負(fù)電的基團(tuán)，提高了與Cr6+的靜電吸引力。

2.5 Cr6+初始濃度對(duì)吸附的影響

SAC和MSAC投加量為4g/L、pH值為2、吸附時(shí)間為90min、溫度為297K、初始濃度對(duì)Cr6+的吸附如圖5所示。SAC和MSAC對(duì)Cr6+的最大去除率80.4%和89.9%出現(xiàn)在10mg/L。這是因?yàn)樵谖絼┩都恿恳欢l件下，活性炭提供的吸附點(diǎn)位是有限的，隨著Cr6+濃度的不斷升高，必然會(huì)導(dǎo)致吸附點(diǎn)位附近過(guò)度擁擠而產(chǎn)生吸附障礙[14]。

3.結(jié)論

SAC和MSAC對(duì)Cr6+的對(duì)比吸附得出以下結(jié)論：

（1）MSAC的表面比SAC更光滑、更緊實(shí)，孔隙結(jié)構(gòu)也更規(guī)則。

（2）MSAC的吸附效果優(yōu)于SAC，在相同吸附條件下，SAC和MSAC對(duì)Cr6+的去除率分別為65.4%和81.7%。

（3）MSAC對(duì)Cr6+的最佳吸附條件為：初始濃度10mg/L、pH為2、生物炭投加量4g/L、吸附時(shí)間150min。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51808282）;大學(xué)生創(chuàng)新基金（202110298027Z）

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