污泥基生物炭的水热法制备及吸附性能研究

GuangzhouChemicalIndustry

Vol郾47No郾18Sep郾2019

污泥基生物炭的水热法制备及吸附性能研究

余春沐,陈杰明,李智鹏,陈晓娟,徐摇颂,陈摇忻

(佛山科学技术学院环境与化学工程学院,广东摇佛山摇528000)

*

摘摇要:以城镇污水处理厂剩余污泥为原料,通过水热法制备生物炭,并研究所得生物炭在不同条件(吸附剂投入量、溶液

浓度、pH值和温度)下对刚果红废水的吸附效果。研究结果表明,所得生物炭产率高,且在酸性条件下对刚果红具有较好的吸附性能;温度对污泥基生物炭吸附性能的影响很小;当体系反应温度为25益,溶液pH值为3时,投加2g/L生物炭,可将20mg/L的刚果红废水吸附完全。

关键词:剩余污泥;生物炭;水热法;吸附性能摇

中图分类号:TX789

摇文献标志码:A

文章编号:1001-9677(2019)18-0057-04

PreparationofSludge-basedBiocharbyHydrothermalMethodandIts

AdsorptionPerformanceforCongoRedWastewater*

YUChun-mu,CHENJie-ming,LIZhi-peng,CHENXiao-juan,XUSong,CHENXin

(CollegeofEnvironmentandChemicalEngineering,FoshanUniversity,GuangdongFoshan528000,China)Abstract:Biocharwaspreparedbythehydrothermalmethodfromexcesssludgeofmunicipalwastewatertreatmentplant郾TheadsorptioneffectofbiocharonCongoRedwastewaterunderdifferentconditions(concentrationofadsorbent,initialconcentrationofCongoRed,solutionpHandreactiontemperature)wasstudied郾TheresultsshowedthattheobtainedbiocharexhibitedhighyieldandgoodadsorbabilitytoCongoRedunderacidicconditions,whiletemperaturehadlittleeffectontheadsorbabilityofsludge-basedbiochar郾Moreover,20mg/LofCongoRedcanbecompletelyadsorbedbyadding2g/Lbiocharwhenthereactiontemperaturewas25益andthesolutionpHvaluewas3郾

Keywords:excesssludge;biochar;hydrothermalmethod;adsorption

我国城镇化进程的加快致使生活污水产生量越来越大,而污水处理过程中产生的剩余污泥所带来的各种问题也日益凸80%的污泥[1-4]。由于剩余污泥的产生量大、含水率高,其处理已成为影响污水厂可持续运行的关键。目前,剩余污泥常用的处理技术有:堆肥、卫生填埋、焚烧等[5-6]。由于污泥中富显。据统计,每处理1万吨生活污水可产生5~8吨含水率约

法因在实际操作中不受物料含水率的制约,无需对污泥预先进行干燥而更具有优势。此外,该法所制备的生物炭不仅产率高,而且可保留大量的可提高活性炭吸附性能的含氧官能团。因此,本文利用污水处理厂剩余污泥,通过水热法制备生物炭,并研究了不同条件下所制备生物炭对刚果红废水的吸附性能。

集了大量难生物降解的有机物、重金属、病原微生物等,我国已明令禁止将剩余污泥用作农田肥料,堆肥法已受到大大限制;卫生填埋通常需要适宜的沟壑环境、占地面积大,许多城市已不具备相关条件;焚烧法通常需要脱水预处理来提高热值,建设和运行成本高。

废为宝,污泥资源化利用的途径有[7-8]:热解制柴油和天然气、化、重金属吸附等领域。污泥制生物炭的方法有[9-12]:微波热解法、热裂解法和水热炭化法。相较于另两个方法,水热炭化

*

1摇实摇验

1郾1摇污泥基生物炭的制备

剩余污泥来自于某城镇污水处理厂。首先将剩余污泥进行烘干研磨预处理,并过80目筛。在200mL水热反应釜中加入预处理后的剩余污泥30g和去离子水150mL,密闭反应釜后置于加热炉中,程序升温至200益,并维持恒温8h。反应结束后待反应釜冷却至室温,将产物收集并用真空抽滤机过滤,在80益烘箱中干燥后,充分研磨至80目,即得污泥基生物炭。

由于污泥的有机质含量较高,若能实现资源化利用则可变

焚烧发电、制备生物炭材料。近年来,生物炭材料由于具有吸

附容量大价格低等优点,而被广泛应用于空气净化、水体净

摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

基金项目:广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目(No:粤教高函[2018]179号);广东省高等教育教学研究和改革项目(No:

2017573);佛山科学技术学院博士启动项目(No:gg07014);佛山科学技术学院大学生创新创业训练计划项目(No:S201911847133)。

第一作者:余春沐(1997-),男,本科生,环境工程专业。

通讯作者:陈晓娟(1989-),女,博士,主要从事环境工程专业的教学科研工作。

摇58广摇州摇化摇工2019年9月

1郾2摇污泥基生物炭的物化性质测定

生物炭产率测定:水热炭化反应后产生的生物炭重量与原材料重量之比。

生物炭pH值测定:称取未干燥的2郾5g生物炭样品,置于

100mL锥形瓶中,加入50mL超纯水,用保鲜膜密封,在水浴锅中缓慢加热煮沸5min后过滤,弃去初滤液5mL,pH计测定冷却后的余液。

根据上述测定方法,所制备污泥基生物炭的基本性质为:产率72郾37%,pH值为7郾89。

1郾3摇吸附实验

250准确称取一定量的吸附剂于500mL烧杯中,并加入

和HNOmL2一定浓度的刚果红溶液溶液调节pH值,在设定一定温度且,分别用1mol150/L的r/NaOHmin的恒温

溶液磁力搅拌器上,间隔一定时间取上清液,并用0郾45滋m滤膜过滤后,利用紫外-可见分光光度计在497nm下测量吸光度,并测试反应后溶液的pH值。

1郾4摇数据分析

1郾4郾1摇生物炭吸附容量依据式生物炭吸附容量

(1)计算:

Qe=

V(C0m

-Ce)

(1)

式中:Qe为吸附平衡时生物炭的吸附容量,mg/g;V为吸附质溶液体积,L;C0为吸附质的初始质量浓度,mg/L;Ce为吸附平衡时吸附质剩余质量浓度,mg/L;m为生物炭样品质1郾量4郾,2摇g。

Freundlich吸附等温线的表面能的假设而提出等温模型是基于吸附剂表面不同位点具有不同

,Freundlich方程如式(2)所示,其线性表达式如式(3)所示。

QelogQe=logK=KFC1e

/n

(1(2)F+

n)

logCe

(3)

式中:C,mg/L;

Qe表示达到吸附平衡时刚果红溶液的浓度e表示平衡时吸附剂的吸附容量,mg/g;KF是Freundlich吸附

平衡常数,mg(1-1/n)量越大;n表示吸附剂的吸附性能强度·L1/n·g-1;KF值越高说明吸附剂的吸附容

,n>1表示吸附性能良好,而n<1则表示吸附比较困难。

2摇结果与讨论

2郾1摇不同实验条件下污泥基生物炭对刚果红的吸附

性能

2郾1郾1摇不同生物炭投加量条件下生物炭投加量对其吸附性能的影响

,生物炭对刚果红废水的吸附性

能如图1(a)所示,可知,在60min吸附时间里,生物炭对刚果红的吸附率逐渐增大并逐渐趋于平衡;且随着吸附剂用量的增加,刚果红的去除率增加较快;当吸附剂用量为0郾5g时,pH吸附30min后,刚果红的去除率即可达到96郾05%。反应液的

说,值随时间的变化曲线如图在投加生物炭进行吸附反应后刚果红溶液1(b)所示,可以看出pH,值先有微小总体上来程度的下降,而后随着反应时间的延长逐渐趋于平衡,并接近中性。

图1摇不同吸附剂投加量条件下生物炭的去除率(a)和

Fig郾efficiency1摇The反应液effectpH(a)of值随时间的变化曲线adsorbentdosageon(b)

beforeandandpHaftervaluereactionofCongotheadsorption(b)Redsolution

2郾1郾2摇刚果红初始浓度对污泥基生物炭吸附性能的影响

图2摇刚果红初始浓度对污泥基生物炭

Fig郾吸附性能的影响efficiency2摇Theeffect(a)ofinitial和反应前后刚果红溶液concentrationpH值(b)ofCongoofredsludge-basedsolutionbeforebiochar(a)onandafterandthereaction(b)

pHadsorptionvalue第47卷第18期余春沐,等:污泥基生物炭的水热法制备及吸附性能研究摇59

摇摇刚果红不同初始浓度对污泥基生物炭吸附性能的影响如图2(a)所示。可以看出,随着浓度的增加,刚果红去除率不断下降。当初始浓度达到60mg/L之后,去除率变化迅速。当初始浓度为10mg/L时,60min的吸附时间,刚果红的去除率达到97郾1%,当初始浓度为200mg/L时,去除率仅有39郾7%。这主要是由于,随着刚果红初始浓度的增加,生物炭的活性位点逐渐被占据完全,并达到饱和,可吸附的刚果红量是一定的,继续增加刚果红初始浓度,反而会使其去除率下降。由图2(b)可知,总体上来说,在不同刚果红初始浓度条件下,2郾1郾3摇反应溶液pH值对污泥基生物炭吸附性能的影响反应溶液pH值均有略微下降。

2郾2摇吸附等温线

污泥基生物炭对刚果红的吸附等温线如图5所示,由Freundlich模型拟合的等温线参数也在图5中显示(其中Qe20是

平衡溶液浓度为20mg/L时的吸附容量)。R2值为0郾921,说明Freundlich等温线适合描述污泥基生物炭的吸附特性,此吸附为多分子层的化学性吸附。此外,样品对应的n值大于1,说明污泥基生物炭对刚果红的吸附较易进行。

溶液pH决定着溶液中吸附溶质质子化电荷状态和吸附剂表面的电荷状态,因此对吸附过程影响较大。本论文研究了溶液pH为3、7郾89和9时,污泥基生物炭对刚果红废水吸附性能的影响,实验结果如图3所示。由图3可知,随着溶液pH

值的增10加,刚果红的去除率大大降低。当溶液pH为这是由于酸性条件下min的吸附时间内,,刚果红主要以阳离子形式存在刚果红废水的去除率即达到了3时,,100%有利于。污泥基生物炭对刚果红的吸附。

图Fig郾3摇3摇不同溶液TheeffectPH条件下污泥基生物炭的吸附性能sludge-basedofpHonthebiochar

adsorptionefficiencyof

2郾1郾4摇图4反应温度对污泥基生物炭吸附性能的影响

表示不同反应温度下污泥基生物炭对刚果红废水的吸

附效果,可以看出,温度的变化对刚果红去除率的影响很小。当溶液初始pH=3时,反应温度为25益、35益和45益,刚果红去除率的变化幅度在3%以内。

Fig郾4摇图4摇The反应温度对污泥基生物炭吸附性能的影响

effectofofsludge-basedtemperatureonbiochar

theadsorptionefficiency

Fig郾5摇Adsorption图5摇污泥基生物炭对刚果红的吸附等温线

isothermofCongoRedonsludge-basedbiochar

3摇结摇论

以污水处理厂剩余污泥为原料,通过水热法处理得到的生物炭,不仅产率高,还能够有效地处理刚果红废水。酸性条件有利于污泥基生物炭对刚果红的吸附,而温度对污泥基生物炭吸附性能的影响很小。

[1]摇LaturnussludgeappliedF,ArnoLdtoagriculturalK,Gron参考文献

soilsC郾Organic[J]郾EnvironmentalcontaminantsfromSciencesewage

and[2]摇PollutionFytiliofoldD,Research-International,2007,14(1):53-60郾andZabaniotounewmethodsA郾Utilization-areviewof[J]sewage郾RenewablesludgeinandEUSustainableapplication

[3]摇EnergyReviews,2008,12(1):116-140郾(8):1151-1164郾

researchRenS.andAssessingdevelopmentswastewater[J]郾toxicityEnvironmenttoactivatedInternational,2004,30

sludge:recent[4]摇GascosewageG,sludgeBlancopyrolysisC,Guerrero[J]郾F郾JournalTheinfluenceofAnalyticaloforganicandmatteron

[5]摇Pyrolysis,2005,74(1):413-420郾

Applied闫宏图材与装饰,陆涛,2018(44):105-106郾

,刘天赐,等郾城市污泥处理处置现状及应用[J]郾建[6]摇郑轶雄196郾

郾焚烧方法处理污泥[J]郾山西建筑,2013,39(33):195-[7]摇MendezdeinkingA,Paz-ferreiroJ,AraujoF,etal郾Biocharfrompyrolysisof

soil[J]郾paperJournalsludgeofAnalyticalanditsuseandinAppliedthetreatmentPyrolysis,2014,107:46ofanickelpolluted-[8]摇52郾程国淡炭性质的影响,黄青,张凯松[J]郾环境工程报,等郾热解温度和时间对生物干化污泥生物

,2013,7(3):1133-1138郾

[9]摇赵文霞趋势[J]郾,任爱玲环境科学与技术,郭斌郾污泥制备活性炭过程中重金属含量的变化

,2009,32(12):60-62郾

(下转第116页)

摇116广摇州摇化摇工2019年10月

2郾5摇黄连与土壤中无机元素间的逐步回归分析

表8摇逐步线性回归分析

Table8摇Stepwiselinearregressionanalysis

回归方程

元素NaCaK

决定系数R2

MgY=0郾065X2+0郾937X7-0郾305

Y=0郾582X8+0郾952

0郾719

0郾552

现出Na>Mg>Ca>K的趋势,在黄连样品中,它们呈现出Ca>Mg>K>Na的趋势。使用SPSS统计软件对黄连样品及其生长土壤中的四种无机元素含量进行相关性分析和线性逐步回归分析,发现黄连样品中的钾元素和镁元素可以正向相互促进,且土壤中的钙元素对黄连样品中的镁元素有正向促进作用,呈正相关。土壤中无机元素的含量在一定程度上影响到植物体内无机元素的含量,这对黄连药材品质的评价以及黄连的合理种植和保护从无机元素的角度可提供一定的参考。实验方法较简单、科学,可靠性强。

参考文献

根据19份黄连样品及其生长土壤中钠、钾、钙、镁元素的含量,采用SPSS统计软件进行逐步线性回归分析。以土壤中Na(X1)、Ca(X2)、K(X3)、Mg(X4)和黄连中Na(X5)、Ca(X6)、K(X7)、Mg(X8)元素含量作自变量,以黄连中钠、钾、钙、镁元素含量作因变量(Y),采用多变量逐步回归法,逐步去除对黄连样品中元素含量影响不大的因子,找到对黄连中四种元素含量影响较大的因子,建立黄连中无机元素含量与主导因子的回归方程,见表8。由表8分析得出,对黄连中钾(K)元素含量有主要影响的是黄连中的镁(Mg)元素,镁(Mg)元素含量对钾(K)元素含量有正向促进作用,相关系数为0郾582,决定系数R2为0郾552。黄连中镁(Mg)元素含量主要受土壤中钙(Ca)元素及黄连中钾(K)元素含量的影响,且这两种元素对黄连中镁(Mg)元素含量都有正向促进作用,但黄连中钾(K)元素的促进作用要大于土壤中钙(Ca)元素的作用(K的相关系数为0郾937,Ca的相关系数为0郾065)。其他元素与黄连中的元素含量并不存在明显关系。

3摇结摇论

利用火焰原子吸收光度法实验测定及数据处理,得到了黄连样品及其土壤中钾、钠、钙、镁四种无机元素含量的大致范围,以及这四种元素含量的大体峰形。在土壤中,它们大致呈

[1]摇中华人民共和国药店委员会编.中华人民共和国药典一部[M].北

京:化学工业出版社,2005:191.

[2]摇柳鑫,杨艳芳,宋红萍,等.基于MaxEnt和ArcGIS的黄连生长适宜

性区划研究[J].中国中药杂志,2016,41(17):3186-3193.

[3]摇冯佳俊.中药黄连解毒汤治疗2型糖尿病患者的临床效果[J].中

国处方药,2019,17(04):94-95.

[4]摇时晓媞.川产黄连及其炮制品降糖化学成分与药效研究[D].成

都:西南交通大学,2017.

[5]摇李欢,潘林梅,朱华旭.黄连解毒汤对老年痴呆症的药效学研究综

述[J].现代中药研究与实践,2010,24(04):86-88.

[6]摇杨月,陈艳姣,张爱琛,等.土壤无机元素含量与三七药材品质的关

系[J].中国实验方剂学杂志,2018,24(13):47-53.

[7]摇刘建明,亓昭英,刘善科,等.中微量元素与植物营养和人体健康的

关系[J].化肥工业,2016,43(03):85-90,103.

[8]摇武志菲.202味常用运动损伤中药8种元素含量与功效特征研究

[D].太原:太原理工大学,2017.

[9]摇潘媛,宋旭红,王钰,等.不同产地栀子药材、土壤无机元素含量特

征与有效成分的相关性研究[J].天然产物研究与开发,2018,30(03):451-460.

[10]樊吉祥.试分析土壤肥料与农产品质量的相关性[J].农民致富之

友,2018(24):54-55.

[11]李亚杰,龙澜,杨永康,等.恩施道地药材黄连的质量标准研究[J].

湖北民族学院学报(自然科学版),2012,30(04):443-445.

蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥

(上接第59页)

[10]李保强,刘钩,李阳,等郾生物质炭的制备及其在能源与环境领域

中的应用[J]郾生物质化学工程,2012,46(1):34-38郾

[11]桂成民,李萍,王亚炜,等郾剩余污泥微波热解技术研究进展[J]郾

化工进展,2015,34(9):3435-3475郾

[12]DeviP,SarohaAK郾Simultaneousadsorptionanddechlorinationof

pentachlorophenolfromeffluentbyNI-ZVImagneticbiocharcompositessynthesizedfrompapermillsludge[J]郾ChemicalEngineeringJournal,2015,271:195-203郾