6+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污泥基活性炭(SAC)進行改性后得到MSAC,并研究SAC和MSAC對Cr6+的吸附性能。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對SAC和MSAC進行表征分析表明,添加樹葉使得MSAC比SAC具有更好的表面和孔隙結(jié)構。同時,生物炭添加量、吸附時間、pH和Cr6+初始濃度對Cr6+的吸附研究發(fā)現(xiàn),MSAC對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、吸附時間150min。
關鍵詞:剩余污泥; 雜交鵝掌楸落葉; Cr6+;去除率
中圖分類號:X703? ? ? ? ? 文獻標識碼:A? ? ? ?文章編號: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、強氧化、致癌、致突變等特點[2,3]。因此,有效去除Cr6+對環(huán)境保護和人類健康非常重要。
迄今為止,已經(jīng)開發(fā)了多種技術來降低水中的Cr6+[4-6]。吸附法具有設備簡單、價格低廉、吸附效率高、吸附污染物范圍廣等優(yōu)點,受到青睞[7]。近年來,利用污泥等低成本的生物質(zhì)制備活性炭,并用來吸附去除重金屬成為研究熱點[4]。針對污泥灰分高、孔隙不發(fā)達等缺點,適當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污泥基生物炭進行改性(SAC),并對比研究了改性后的生物炭(MSAC)與SAC對Cr6+的吸附效果。重點考察了吸附時間、Cr6+初始濃度、pH值、生物炭投加量對Cr6+的去除效率。同時,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試驗材料
本試驗采用污泥和雜交鵝掌楸落葉制備生物炭。污泥取自江寧開發(fā)區(qū)污水處理廠的脫水機房,落葉收集自南京林業(yè)大學。
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的恒溫搖床中振蕩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,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試驗方法
采用批次試驗研究MSAC和SAC對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檢測方法
采用場發(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(PHS-3C,雷磁)測定pH值。每隔一定時間取出2mL溶液經(jīng)0.45μm膜過濾后,在540nm的紫外分光光度計分析Cr6+濃度。
1.5數(shù)據(jù)分析
Cr6+的去除率(E,%)計算如公式(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,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的表面相對光滑、結(jié)構較緊實,孔隙形狀規(guī)則深度較深,七孔隙比SAC更加發(fā)達。這說明添加樹葉有助于孔隙的形成,能夠為Cr6+提供充足吸附點位。
2.2活性炭投加量對Cr6+的吸附影響
Cr6+初始濃度30mg/L、pH為2、吸附時間為90min、溫度297K條件下,SAC和MSAC投加量對Cr6+的吸附影響如圖2所示。
由圖可見,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MSAC投加量從1g/L增加到4g/L時,Cr6+去除率由50.9%提高到81.7%,繼續(xù)增加MSAC至6g/L時,Cr6+去除率僅提高至83.8%。投加SAC反應器中的最大Cr6+去除率為72.1%,比相應的MSAC反應器低了13.98%。MSAC在較低濃度下對Cr6+具有更好的吸附效果,主要是因為添加樹葉改性后,MSAC的孔隙得到改善,能夠為Cr6+提供更多的活性點位[12]。
2.3吸附時間對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,吸附時間對Cr6+的吸附影響如圖3所示。隨著時間的延長,Cr6+的去除率逐漸升高,當吸附240min時,SAC和MSAC對Cr6+去除率分別為69.6%和85.3%。此外,吸附初期,Cr6+濃度較高、吸附點位充足,去除率快速升高,而到了后期,隨著吸附點位減少、Cr6+濃度降低,MSAC和SAC對Cr6+的吸附和解析速率相近,吸附達到平衡[13]。
2.4 pH值對Cr6+的吸附影響
SAC和MSAC的投加量為4g/L、Cr6+初始濃度為30mg/L、吸附時間為90min、溫度為297K時,pH值對Cr6+的影響如圖4所示。SAC和MSAC對Cr6+的去除率均隨pH值的升高呈下降趨勢,且任意pH條件下MSAC的去除率均高于SAC。例如,當pH=2時,SAC和MSAC對Cr6+的去除率分別為66.8%和88.9%。主要是因為添加樹葉使得MSAC表面增加了-OH、-COOH等帶負電的基團,提高了與Cr6+的靜電吸引力。
2.5 Cr6+初始濃度對吸附的影響
SAC和MSAC投加量為4g/L、pH值為2、吸附時間為90min、溫度為297K、初始濃度對Cr6+的吸附如圖5所示。SAC和MSAC對Cr6+的最大去除率80.4%和89.9%出現(xiàn)在10mg/L。這是因為在吸附劑投加量一定條件下,活性炭提供的吸附點位是有限的,隨著Cr6+濃度的不斷升高,必然會導致吸附點位附近過度擁擠而產(chǎn)生吸附障礙[14]。
3.結(jié)論
SAC和MSAC對Cr6+的對比吸附得出以下結(jié)論:
(1)MSAC的表面比SAC更光滑、更緊實,孔隙結(jié)構也更規(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Cr6+的去除率分別為65.4%和81.7%。
(3)MSAC對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、吸附時間150min。
基金項目:國家自然科學基金(51808282);大學生創(chuàng)新基金(202110298027Z)
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