磁性污泥基生物炭的制備及對甲基橙的吸附*

楊 洪，楊 康，聶玉琴，周 飄，伍遠(yuǎn)輝，羅宿星

(遵義師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，貴州 遵義 563006)

污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，含有大量有機(jī)物、氮、磷、病原微生物、重金屬和有毒化合物，如果污泥未經(jīng)處理或處理不當(dāng)，將會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。污泥中的碳含量較高，使得污泥可以成為吸附劑的制備原料。能夠制備出吸附劑解決了傳統(tǒng)污泥處置帶來二次污染的弊病，也成為污泥資源化的道路之一，又降低了吸附劑的成本問題，達(dá)到以廢治廢的目的[2-3]。

甲基橙是一種工業(yè)有機(jī)染料，具有染色能力強(qiáng)，不易掉色等特點(diǎn)。目前對甲基橙的處理方法有：吸附法、膜分離法、氧化法、電化學(xué)法、生化法等。其中吸附法是具有效率高、成本低、操作彈性大、出水水質(zhì)較好并對有毒物質(zhì)不敏感等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，本文以貴州省遵義市污水處理廠污水作為原料，將針對其污泥有機(jī)性質(zhì)特點(diǎn)制備磁性污泥基吸附劑，將所制備的磁性污泥基復(fù)合材料對甲基橙的吸附行為進(jìn)行了探究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

99-1A數(shù)顯恒溫大功率磁力攪拌器，上海比朗儀器有限公司；PHSJ-3F實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)、雙頻超聲清洗機(jī)，上海冠特超聲儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市杰瑞爾電器有限公司；80-1型離心沉淀機(jī)，金壇市中大儀器廠；FA2004全自動電子分析天平，上海越平儀器有限公司。

甲基橙(分析純)，國藥集團(tuán)試劑有限公司；FeCl3，成都金山化學(xué)試劑有限公司；FeCl2，天津百倫斯生物技術(shù)有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 磁性污泥基生物炭復(fù)合材料的制備

(1)污泥預(yù)處理：首先對污泥進(jìn)行預(yù)處理，取用污泥20 g與0.5 mL 2 mol/L氫氧化鈉溶液攪拌均勻，取出樣品，在超聲頻率為59 Hz下超聲1 min，由水洗離心直至中性，100 ℃烘干以備用。

(2)制備污泥基復(fù)合材料：取一定量經(jīng)過預(yù)處理的污泥，在N2保護(hù)下500 ℃焙燒8 h，成為生物炭，備用。取50 mL的蒸餾水，然后稱量0.0025 g FeCl3和1.194 g FeCl2溶解在其中，之后加入8 g生物炭，經(jīng)過水浴加熱至溶液60 ℃，在由磁力攪拌機(jī)恒溫?cái)嚢?0 min，然后緩慢滴加NaOH溶液，直至溶液pH等于10，繼續(xù)在恒溫水浴鍋里水浴加熱1 h后冷卻洗滌至pH=7，60 ℃干燥。

1.3 所制備復(fù)合材料對甲基橙的吸附實(shí)驗(yàn)

取0.02 g/L的甲基橙溶液30 mL于燒杯中，調(diào)節(jié)至一定pH值，向其中加入一定量污泥基復(fù)合材料進(jìn)行攪拌。間隔一定時間取樣用UV-2550型紫外可見分光光度計(jì)在最大吸收波長464 nm處測其吸光度，計(jì)算甲基橙的脫色率，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件。

按照以下公式計(jì)算：

甲基橙脫色=(A0-A)/A0×100%

式中，A0、A分別為反應(yīng)前后甲基橙溶液吸光度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁性污泥基生物炭復(fù)合材料的表征

2.1.1 掃描電鏡及能譜表征

表1 元素分析結(jié)果Table 1 Results of elemental analysis

續(xù)表1

掃描電鏡(SEM)法是操作高分辨率的電子顯微鏡對樣品表面結(jié)構(gòu)特征實(shí)現(xiàn)定性觀測與分析的常見技術(shù)手段[6]。SEM 可以直觀地分析出復(fù)合材料顆粒大小、顆粒結(jié)合程度、孔洞分布情況、粗糙程度等物理特征[7]。本文運(yùn)用了掃描電鏡(SEM)法，表征結(jié)果如圖1。由圖可知，所制備的吸附材料疏松多孔，且大量不規(guī)則的磁性Fe3O4納米粒子沉積于污泥基表面，SEM-EDX結(jié)果表明，F(xiàn)e元素的原子百分比為2.26%。

圖1 所制備生物炭的掃描電鏡及EDS圖Fig.1 SEM and EDX elemental analysis of as-prepared biochar

2.1.2 傅里葉紅外表征

傅里葉紅外光譜法是一種能夠快速提供有機(jī)化合物官能團(tuán)高分辨光譜信息的技術(shù)[8]。對所制備污泥基復(fù)合材料進(jìn)行了傅里葉紅外光譜表征，見圖2，可以看出，復(fù)合材料的官能團(tuán)分別有：醚鍵(C-O-C)，羥基(-OH)，F(xiàn)e-O基。在紅外光譜圖上分別對應(yīng)其波數(shù)為1037 cm-1，1633 cm-1和3389 cm-1， 470 cm-1。傅里葉紅外結(jié)果表明所制備的吸附劑表面有豐富的官能團(tuán)，且Fe3O4納米粒子已經(jīng)負(fù)載于生物炭表面。

圖2 所制備生物炭的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of the prepared biochar

2.2 磁性污泥基生物炭復(fù)合材料對甲基橙的吸附

2.2.1 pH值的影響

pH是影響吸附的重要因素。一方面，pH值影響復(fù)合材料的表面帶電性質(zhì)；另一方面影響甲基橙表面帶電情況。圖3是pH值對甲基橙去除率影響的曲線圖，吸附時間為120 min。由圖可知，當(dāng)pH=3時，磁性污泥基生物炭復(fù)合材料對甲基橙的吸附率接近100%，隨著pH值的升高，甲基橙吸附率降低。

圖3 pH值對甲基橙吸附的影響Fig.3 Influence of pH on adsorption of methyl orange

2.2.2 磁性污泥基生物炭復(fù)合材料投加量的影響

吸附劑投加量對吸附有重要影響，隨著吸附劑投加量增加，可提供的吸附活性位點(diǎn)數(shù)便會增加，吸附量隨之增加。但當(dāng)吸附劑投加量過大時，不利于吸附。圖4是磁性污泥基生物炭復(fù)合材料投加量對甲基橙吸附的影響，吸附時間為120 min。由圖可知，當(dāng)磁性污泥基生物炭復(fù)合材料投加量為0.8 g/L時，甲基橙的去除率達(dá)到最大。

圖4 吸附劑投加量對甲基橙吸附的影響Fig.4 Influence of adsorbent dosage on theadsorption of methyl orange

2.2.3 吸附解吸試驗(yàn)

在甲基橙溶液初始pH為3.0，初始濃度為10 mg/L，磁性污泥基生物炭投加量為0.8 g/L，吸附時間為120 min，室溫的條件下，將吸附后的磁性污泥基生物炭進(jìn)行外加磁場磁分離，用污水乙醇浸泡30 min，用水洗滌烘干再利用。經(jīng)過5 次吸附解吸試驗(yàn)結(jié)果表明，磁性污泥基生物炭對甲基橙的去除率保持在90%以上。說明本方法所制備的磁性污泥基生物炭復(fù)合材料具有較好的重復(fù)使用性。

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用污泥中有機(jī)質(zhì)含量高這一特點(diǎn)制備出污泥基生物炭復(fù)合材料，并使用其對甲基橙進(jìn)行吸附作用，結(jié)果顯示一定條件下有良好的吸附性能。這不僅有利于污泥的資源化利用，還能降低污水中甲基橙染料的去除成本，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。