不同制备温度下污泥生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附特性.docVIP

PAGE 1 不同制备温度下污泥生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附特性 铬(Cr)主要来源于铬矿开采、皮革鞣制、电镀等行业，以Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)存在于环境中。Cr(Ⅵ)是世界公认的致癌物质，因具有毒性高、迁移性强、易生物富集等特点而备受关注。生物炭对Cr(Ⅵ)、Zn(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)等重金属有较好的吸附性能，具备来源广泛(作物秸秆、木质垃圾、市政污泥等)、性能稳定、制作成本低等显著特点，在重金属污染治理中得到了深入研究。 近年来，我国 \o 污水处理设施新闻专题 污水处理设施不断完善，预计到2020年污泥年产量将突破6000万t(含水率80%)，污泥富含大量不稳定有机物、病原体、重金属等物质，若处理不当将造成严重的二次污染。但污泥也是一种潜在资源，将其热解制备成生物炭能够实现污泥的减量化、稳定化、无害化，且可回收具有能源价值的生物油、生物气，同时生物炭可作为吸附剂处理污水中的重金属。因此，将 \o 污泥热解制备新闻专题 污泥热解制备生物炭具备可观的经济与环境效益，近年来已成为该领域的研究热点。大量研究表明，制备温度会造成生物炭的表面空隙结构、官能团的数量、种类等特性的不同，是影响生物炭对重金属吸附性能的重要因素之一。但对于 \o 城市污泥新闻专题 城市污泥控制热解温度制备生物炭对重金属Cr(Ⅵ)的吸附特性研究仍较少。本文针对不同热解温度制备污泥生物炭对重金属Cr(Ⅵ)的吸附特性进行系统研究，以污泥为原料，不同温度梯度热解制备生物炭，对其性质进行表征分析，在不同pH值、初始Cr(Ⅵ)浓度、吸附时间的条件下，研究热解温度对生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影响，以期为生物炭对重金属的吸附特性提供参考。 摘 要 以城市剩余污泥为原料，于300,400,500,600 ℃温度条件下制备生物炭，通过单因素静态吸附实验探讨制备温度对生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影响。结果表明：在500 ℃以内随着温度上升制备的生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附量增加，制备温度高于500 ℃后变化不明显；扫描电镜(SEM)、比表面积(BET)、傅里叶红外光谱(FTIR)表征结果显示，热解温度对生物炭表面形貌和官能团组成有显著影响；等温模型及动力学拟合结果表明，生物炭吸附Cr(Ⅵ)为单分子层吸附、物理-化学复合吸附。热解温度对污泥制备生物炭吸附Cr(Ⅵ)的性能有显著影响，最佳制备温度为500 ℃，在此条件制备的生物炭对Cr(Ⅵ)的理论吸附量可达7.93 mg/g。 01 结果与讨论 1.材料的表征 1)污泥生物炭的基本性质。 生物炭的基本理化性质见表2。结果显示：随着制备温度的升高，生物炭产率下降，pH值增大。这是因为在300 ℃条件下，热解过程以解聚、分解、脱气反应为主，大量挥发性物质排出，随着热解温度增加，反应越彻底，因此产率逐步下降。当制备温度400 ℃，产率变化趋势减缓，变化不大。同时，因为温度升高，生物炭中的无机离子会结合形成更多的无机碳酸盐等碱性物质。此外，随着制备温度的升高，生物炭的比表面积增大，SB400的BET值相较SB300增加仅为2.7倍，而SB500的BET值相较SB300却增加了36. 6倍，因为500 ℃时，污泥中的微生物残体等有机质迅速分解，挥发性物质快速释放和气体的产生引起孔道大量生成，使BET值急剧增加。 2)污泥生物炭电镜扫描(SEM)分析。 生物炭的扫描电镜见图1。可知：随着热解温度升高，形貌、尺寸越发均匀，孔道结构更加疏松，比表面积增加，有利于Cr(Ⅵ)扩散到内部，增加吸附量。 3)污泥生物炭红外光谱(FTIR)分析。 生物炭的红外(FTIR)图谱见图2。可知：生物炭的制备温度对表面官能团的种类和数量存在一定影响。①生物炭表面羟基(—OH)吸收峰(3250～3200 cm-1)伸缩振动峰变弱，羟基数量减少，因为温度升高结合水的脱离和氢键结合的羟基逐渐断裂；②烷烃中的—C—H(甲基—CH3和亚甲基—CH2)吸收峰(2960～2850 cm-1)减弱或消失，说明温度升高，烷烃基团流失，生物炭芳香性变强；③1650～1580 cm-1为芳烃上CC的伸缩振动峰变弱，1450～1370 cm-1为C—H弯曲振动峰变弱或消失，基团芳香化程度提高，材料更加稳定，增加更多的吸附点位提高吸附性能。 2.pH值对吸附性能的影响 溶液pH值影响生物炭的表面性质和吸附质的化学形态，是影响其吸附性能的重要因素之一。图3为不同pH值下生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附性能。可知：吸附量随着pH值降低，这与Park等的研究结论一致，低pH时生物炭表面带正电荷吸附高pH时带负电荷排斥且OH-和竞争吸附位点，导致吸附能力下降；在pH为4.0～10.0时SB500吸附能力最强，SB300吸附能力最差，可能是因为SB500具有较大比表面积，吸附位点充足，虽然SB600拥