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市政污泥生物碳对重金属的吸附特性
更新时间:2016-07-13 来源:《环境科学研究》 作者:李江山,薛强,王平,刘磊

摘要:采用市政污泥在300℃缺氧条件下制得污泥生物碳,研究了污泥生 物碳添加量、溶液pH及吸附反应时间对溶液中Pb2、Cu2、Zn2+吸附效果的影响,并分析了各因素影响机制及污泥生物碳对重金属的吸附机理.结果表 明,污泥生物碳对溶液中重金属的去除率与重金属水合离子半径呈负相关,随着污泥生物碳添加量的增加,溶液中重金属的去除率不断增加,但单位吸附量总体上呈 下降趋势.重金属吸附量随溶液pH的增加而增大,当溶液初始pH为6.00时,污泥生物碳对溶液中Pb2、Cu2和Zn2的吸附量最大,分别达 42.941、25.769和12.484 mg/g.伪二级动力学方程可有效描述溶液中重金属离子在生物碳上的吸附过程,重金属在污泥生物碳表面的吸附主要受化学反应控制,Pb2+、Cu2+和 Zn2的平衡吸附量分别为39.747、6.849和10.004 mg/g,达到吸附平衡的时间为Pb2> Zn2> Cu2.

随着我国社会经济和城市化的发展,城市污水和地下水污染的产生和数量不断增大. 2012 年,环境保护部发布了《全国地下水污染防治规划( 2011—2020年) 》,明确指出要加强典型地下水污染场地修复. 因此,开展重金属污染水体修复方法研究具有重要的现实意义. 采用吸附方法处理污染水体是一种应用较为广泛的技术,大量的吸附剂已被研发并应用于水体中重金属及有机物的去除,但现有的吸附剂存在着价格昂贵,处理污染物单一等问题[1],开发新型廉价高效吸附剂迫在眉睫. 如以含水率80%计,全国年污泥总产生量很快将突破3 000 × 104 t,并且以每年约10% 的速度增长,污泥处置及资源化问题日益严重[2]. 国务院发布的《节能减排“十二五”规划》中提出: 到2015 年,城市污泥无害化处置率将达到70%.污泥的处置方式主要有浓缩、脱水、卫生填埋、厌养消化、土地利用、投海、焚烧等[3]. 国内外针对污泥的研究主要集中在脱水污泥性质及处理技术方面,而对于污泥资源化利用方面的研究相对较少[4-7].

生物碳( biochar) 是由木材、动物粪便、秸杆、树叶、污泥等生物质在缺氧条件下生成的热解残余物[8-9]. 研究表明,生物碳孔隙结构发达,表面负电荷密集并富含大量的羧基、醌基、酚羟基等官能团[10],是一种良好的吸附剂,对有机物和重金属都具有较强的吸附性[11-13]. 污泥中含有大量的C、K、P、N 等营养元素,这是污泥能农用的主要原因[14],通过热解将污泥转化为生物碳为污泥减量化、无害化处理提供了新思路[15-16],并且实现了污泥的资源化利用. 然而,现存的研究主要集中在污泥制备生物碳的性质[17-18].有关生物碳对有机物及重金属的吸附特性,国内外学者开展了大量的研究工作. 安增莉等[19]采用水稻秸秆制备生物碳并研究了其对溶液中Pb 的吸附特性,表明低温裂解制备的生物碳更能有效地吸附重金属.TONG 等[20]研究表明,400 ℃条件下3 种农作物裂解制成的生物碳对Cu 的吸附能力顺序为花生秸秆>大豆秸秆> 油菜秸秆,FTIR-PAS 数据表明Cu 在生物碳作用下生成了表面配合物. CHEN 等[21]研究了不同裂解温度作用下秸皮生物碳的结构特征,并采用该生物碳对有机物萘和1-萘酚进行吸附处理,取得了良好的效果. 然而,有关污泥生物碳对重金属,尤其是多种重金属的吸附特性研究还鲜见报道.为研究城市市政污泥制生物碳对溶液中重金属的吸附特性,该研究以典型重金属离子———Pb2 +、Cu2 +、Zn2 + 为研究对象,通过实验室批次试验研究了生物碳添加量、溶液pH 及反应时间对重金属吸附效果的影响,分析和讨论了各因素影响机制及污泥生物碳对重金属的吸附机理,以期为城市市政污泥资源化利用及重金属污水安全处理提供理论和技术支持.

版权、出处:《环境科学研究》

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