新型重金属吸附生物炭的制备及对含锰废水处理研究_刘文辉.pdf

2023 年 第 7 期 化学工程与装备 2023 年 7 月 Chemical Engineering&Equipment 1 新型重金属吸附生物炭的制备 及对含锰废水处理研究新型重金属吸附生物炭的制备 及对含锰废水处理研究1 1 刘文辉，张静涵，张慧娟，徐丁山，吴 相，王罗懿（西安工业大学材料与化工学院，陕西 西安 710021）摘 要：摘 要：本文以剩余活性污泥为基体，通过高温热解处理及对其进行酸改性，制备出高效多孔生物炭吸附剂。考察了吸附温度、溶液初始 pH 和吸附剂投加量对 Mn2+吸附效果的影响。在 Mn2+初始浓度为 4mg/L、吸附剂投加量为 0.5g、吸附时间 120min、pH 为 2 条件下，20时 Mn2+去除效率最高为 72.55%；在 Mn2+初始浓度为4mg/L、吸附剂投加量为0.5g、吸附时间120min、20条件下，pH为2时Mn2+去除效率最高为73.63%；在 Mn2+初始浓度为 4mg/L、吸附时间 120min、20条件下，pH 为 2 条件下，吸附剂投加量为 0.5g 时 Mn2+去除效率最高为 73.08%。生物碳吸附剂对 Mn2的吸附率由改性前的 45.97%，提高到改性后的 73.63%。实验结果表明，改性后的吸附剂相较于改性之前较大幅度提升了对于重金属离子的吸附能力。关键词：关键词：剩余污泥；生物炭；重金属吸附剂；酸改性 基金项目：基金项目：国家大学生创新创业项目(S202110702073)。通讯作者：通讯作者：刘文辉 引 言 引 言 重金属的强毒性、致癌性、难降解及易富集等特性给环境和人类健康造成了严重威胁1-3。国内外常用的重金属废水治理方法有物理法、化学法、电化学法和生物法等4。物理吸附法操作简单、见效快、二次污染小，是目前最有研究价值的处理方法之一。生物炭由于具有发达的孔隙结构、较大的比表面积和吸附容量，吸附速度快等优点被广泛应用于吸附研究5。在以废治废方面，利用污水处理产生的剩余污泥制备生物炭并应用于环境治理方面已取得较好的成绩。剩余污泥是由细菌、真菌类、原生动物和有机质等组成的混合体6。剩余污泥含碳量高，干污泥含碳量约为 53%，是制备生物炭吸附剂很好的材料7。污泥在特定条件下热解即可制备污泥生物炭，即在缺氧条件下加热，最终将有机物分解并生成固体残渣8。为解决污泥生物炭孔隙结构欠发达、比表面积不足和表面官能团含量低等缺点，可以通过改性生物炭来改变其表面物化性质，从而增强其对重金属的吸附能力改性方法可分为物理法、化学法和生物法，具体包括球磨、酸改性9、碱改性、浸渍法改性、紫外辐射10、生物改性以及蒸汽改性等。本文以剩余活性为基体，通过高温热解处理及对其进行酸改性，制备出高效多孔生物炭吸附剂，利用改性的生物炭处理含重金属废水，研究了其对含锰离子废水处理的吸附性能。1 实验材料与方法 1 实验材料与方法 1.1 实验材料和设备 所用试剂：氢氧化钠、2H2ONa2-EDTA、盐酸羟胺、甲醛溶液、氨水、过硫酸钾、盐酸、硫酸锰。实验设备：高速离心机、马弗炉、干燥箱、分光光度计、电子天平等。剩余污泥样，采自于西安工业大学污水处理站的脱水污泥。1.2 实验步骤 生物炭制备：剩余污泥经去离子水多次洗涤、过滤，经过干燥箱充分干燥后粉碎至粉末状。取适量粉状污泥，放入马弗炉，分别在 200、300、400温度下炭化 75min，保温 60min。将生物炭再次研磨细碎，用 10%HCl、10%NaOH反复冲洗，至 pH 值为中性过滤，烘干得到各生物炭材料。生物炭改性：分别称取适量不同温度炭化的生物炭，置于 3mol/L 盐酸溶液中，室温下浸渍 24h，经清洗、过滤后，置于干燥箱中干燥至恒重，得到改性后的生物炭。污水处理实验：将在 200、300、400温度下制备的并经改性的生物炭，分别与 50ml 含锰废水进行混合，调节 pH 为 2、3、4、5、6；投加量分别为 0.25g、0.5g、0.75g、1.00g，分别在 10、20、40、60下进行恒温摇晃反应 120min，摇晃后经高速离心机 3500r/min 离心 10min，取上清液调节至中性后测定废水中残余量。2 结果与分析 2 结果与分析 2.1 温度对吸附效果的影响 将 0.5g 温度分别为 200、300、400改性生物炭科学研究与开发 科学研究与开发 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.07.0272 刘文辉：新型重金属吸附生物炭的制备及对含锰废水处理研究 分别与 50ml 含锰废水进行混合，调节 pH=3，分别在 10、20、40、60下进行恒温摇晃 120min，摇晃后经高速离心机 3500r/min 离心 10min，取上清液调节至中性后依照标线的测定方法进行测定。温度对吸附效果影响如图 2.1所示。图 2.1 温度对含锰废水吸附效果影响 图 2.1 温度对含锰废水吸附效果影响 发现，200、300、400生物炭的吸附率最高为67.86%、72.55%、61.34%。实验表明 300碳化的生物炭吸附率最高，且在 20时吸附率最高。2.2 废水 pH 对吸附效果的影响 溶液的 pH 值是重要的环境因素影响重金属离子的吸附，pH 值不仅会影响生物炭表面的官能团而且会改变溶液中重金属离子的存在形式。在水溶液中，Mn2+会形成配离子Mn（OH)+、Mn(OH)2，当溶液 pH 值小于 7.8 时，溶液中主要存在的是游离的二价 Mn2+离子，当溶液 pH 大于 7.8 时，Mn2+就会产生沉淀，生成 Mn（OH)+、Mn(OH)2，因此研究去除水溶液中的 Mn2+时考虑溶液 pH 值非常重要。图 2.2 pH 值对生物炭吸附效果的影响 图 2.2 pH 值对生物炭吸附效果的影响 将 0.5g 温度分别为 200、300、400改性生物炭分别与 50ml 浓度为 4mg/L 含锰废水进行混合，温度统一调为 20，分别在 pH 为 2、3、4、5、6 的条件下下进行摇晃120min，摇晃后经高速离心机 3500r/min 离心 10min，取上清液调节至中性后依照标线的测定方法进行测定。pH 对吸附效果影响如图 2.2 所示。发现，pH=2 时 200、300、400生物炭的吸附率最高为 69.71%、73.63%、65.09%。实验表明 300碳化的生物炭吸附率最高，且在 pH=2 时吸附率最高。2.3 生物炭投加量对吸附效果的影响 将温度分别为 200、300、400改性生物炭分三组，每组分别向 50ml 浓度为 4mg/L 含锰废水中加入 0.25g、0.5g、0.75g、1.00g 各温度改性生物炭，在 pH=2、温度为20下进行恒温摇晃 120min，摇晃后经高速离心机3500r/min 离心 10min，取上清液调节至中性后依照标线的测定方法进行测定。生物炭吸附对含 Mn2+废水的影响如图2.3 所示：图 2.3 投加量对活性污泥生物炭吸附效果的影响 图 2.3 投加量对活性污泥生物炭吸附效果的影响 发现，投加量为 0.5g 时 200、300、400生物炭的吸附率最高为 69.71%、73.63%、65.09%。实验表明300碳化的生物炭吸附率最高，且在投加量为 0.5g 吸附率最高。3 结 论 3 结 论 生物炭作为一种新型的吸附剂，对废水中大多数重金属如铜、锰、铅、铬等都具有良好的吸附效果，近年来，成为环境领域关注的热点。我们以剩余活性污泥为基体，通过高温热解处理及对其进行酸改性，制备出高效多孔生物炭吸附剂。再通过改变温度、废水 pH 和生物炭投加量三个变量来与含锰废水进行吸附实验。经实验得出以下结论：（1）改性后的吸附剂相较于改性之前生物材料比表面积更大、孔隙结构更多。（2）300碳化的生物碳吸附效果总体上优于 200和400，且在 pH 为 2，投加量为 0.5g 时吸附率最高。（3）用活性污泥生物炭处理重金属污染的废水，能有效减少重金属离子的含量，对于重金属 Mn2+的吸附性能较未 刘文辉：新型重金属吸附生物炭的制备及对含锰废水处理研究 3 改性前有明显的提高，改性后的生物碳吸附剂对 Mn2的吸附率由改性前的 45.97%，提高到改性后的 73.63%。参考文献 参考文献 1 万柳,徐海林,活性炭吸附法处理重金属废水研究进展J.能源环境保护,2011,25(5):20-22.2 张昱.碳羟磷灰石对重金属离子的吸附研究D.长沙:湖南大学,2008.3 张蕊,葛滢.稻壳基活性炭制备及其对重金属吸附研究J.环境污染与防治,2011,33(01):41-45+51.4 原芳,刘琰,孙德智,等.稻壳活性炭的制备及在水质净化中的应用J.哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2005(02):166-169 5 张引枝,樊彦贞,贺福,等.添加剂种类对活性炭纤维中孔结构的影响J.炭素技术,1997(4):11.6 叶巧玲.活性炭吸附在常规水处理工艺中的应用研究J.工程技术(全文版),2017(1):269.7 李航.污泥活性炭的制备、改性及应用研究D.西南石油大学,2019.8 龚宽,陈寒松,朱文斌,等.污泥生物炭对土壤和水体环境中重金属吸附固定的研究进展J.中国资源综合利用,2022,40(05):109-113.9 王博,叶春,李法云,等.水生植物制生物炭对硝态氮的吸附规律研究J.中国环境科学,2017,37(01):116-122.10 李桥,高屿涛,姜蔚,等.紫外辐照改性生物炭对土壤中 Cd 的稳定化效果J.环境工程学报,2017,11(10):5708-5714.（上接第 17 页）_（上接第 17 页）_ 表 1 Langmuir 模型和 Freundlich 模型的参数 表 1 Langmuir 模型和 Freundlich 模型的参数 温度（K）Langmuir 模型 Freundlich 模型 R2 KF(L mg-1)n R2 298.15 0.9006 0.1411 0.7347 0.9523 308.15 0.9596 0.0931 0.6847 0.9689 318.15 0.9784 0.0641 0.6362 0.9899 3 结 论 3 结 论（1）通过一锅法制备得到儿茶酚胺微球，红外表征数据表明生成了儿茶酚胺。（2）儿茶酚胺对硼有着优异的吸附能力，在 200 min左右时，吸附量就达到了平衡吸附量的 95%，此外酸性条件下儿茶酚胺对硼的去除率大于碱性环境下，当 pH=5.5 时，吸附效率最大。（3）儿茶酚胺对硼的吸附过程符合准二级动力学模型和 Freundlich 等温吸附模型。致谢 致谢 感谢西南石油大学开放实验基金（2021KSZ04021）和大学生创新创业训练计划项目（202210615040）对本课题的资助。参考文献 参考文献 1 侯若昕,顾平,韦晓竹,等.水中硼的去除方法研究进展J.工业水处理,2012,32(03):14-8.2 朱端卫.土壤硼的化学行为研究进展J.土壤学进展,1994,22(01):11-7.3 张洁,程超,都伟超,等.水中硼浓度控制机理与方法研究进展J.环保科技,2018,24(02):56-64.4 董沅武,柳建新,颜回香,等.压裂返排液中残余硼的清除方法研究进展J.应用化工,2020,49(09):2364-9+76.5 黄晓江,王郑,李子木,等.煤质活性炭对水中硼离子的吸附性能研究J.森林工程,2019,35(01):100-6.6 Tsai H,Lo S.Boron recovery from high boron containing wastewater using modified sub-micron Ca(OH)2 particleJ.International Journal of Environmental Science and Technology,2015,12(1):161-72.7 Delazare T,Ferreira P,Ribeiro n F,et al.Removal of boron from oilfield wastewater via adsorption with synthetic layered double hydroxidesJ.Journal of Environmental Science and Health,Part A,2014,49(8):923-32.