生活废弃物生物质炭对Cd2+污染废水处理的影响因素研究*

赵宇侠,祝春水

(淮海工学院 化学工程学院,江苏 连云港 222005)

工业废水和污染水体中重金属去除是保持环境可持续发展的重大挑战。目前,废水中重金属的去除多采用化学方法[1]。由于生物吸附剂高效、价廉和易获取,生物吸附技术成为一种新颖的处理重金属废水的方法[2]。近年来,生物质炭的研制和开发利用受到了极大的关注。生物质炭具有多孔和较大的比表面积,同时其表面具有羰基、羧基等丰富的官能团[3],与一些炭质吸附剂性质相似。

有研究表明生物质炭对重金属离子和有机污染物等有良好的去除效果,可以作为表面吸附剂治理环境污染[4]。张文标等[4]研究不同炭化温度的竹炭对重金属离子的吸附性能,结果表明,与单一离子相比,竹炭在混合重金属离子溶液中对Pb2+,Hg2+和Cr6+吸附率增加,而对Cd2+的吸附率却减小。人居生活生物质废弃物(household biowaste)产量与日俱增,而对废弃物的处置大多采用填埋和焚烧的方法,造成了严重的二次污染[5]。因此,本试验研究人居废弃物生物质炭对水溶液中Cd2+的吸附影响因素,探讨其作为吸附剂处理废水的技术可行性,为其资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

人居生活废弃物生物质炭样品取自上海中科岸达节能产品科技有限公司,其基本的理化性质如表1所示。

pH采用土壤活性酸方法[6]测定,Bulk density采用环刀法[6]测定,比表面积采用BET[7]法测定,表面官能团采用Boehm提出的联碱中和法[8]测定。试验所用生物质炭在75 ℃温度下烘干，分别过<2 mm、<1 mm、<0.25 mm和<0.15 mm筛,装瓶备用。除了特殊说明,本试验采用粒径<0.15 mm的生物质炭作为吸附剂。

表1 供试生物质炭的基本性质

1.2 吸附试验

在50 mL离心管中加入25 mL Cd2+溶液,加入一定量的供试生物质炭,在恒温(25 ℃)摇床上振荡(转速180 r/min)一定时间后过滤,取滤液进行Cd2+测定分析,所有反应均设置3个平行试验。

1.3 溶液pH对吸附的影响

Cd2+初始质量浓度为50 mg·L-1,用HNO3和NaOH调节Cd2+溶液的pH为3.5,4,5,6,7,7.5,8,反应温度为25 ℃,吸附4 h后取样分析,并且测定吸附前后的pH。

1.4 吸附剂粒径对吸附的影响

Cd2+初始质量浓度为50 mg·L-1,分别称粒径<2 mm、<1 mm、<0.25 mm和<0.15 mm的生物质炭0.1 g于25 mL溶液中,25 ℃温度下反应4 h后取样分析。

1.5 分析方法

溶液中Cd2+的测定采用石墨炉原子吸收分光光度计(TAS-986);溶液pH的测定采用pH计(Mettler Toledo Seveneasy precision pH meter, Switzerland)。

1.6 吸附量和溶液中Cd2+去除率的计算

生物质炭对Cd2+吸附量q(mg·g-1)用下式进行计算:

式中,C0为Cd2+的初始质量浓度(mg·L-1),Ce为吸附平衡时溶液Cd2+的质量浓度(mg·L-1),V为反应溶液体积(L),w为生物质炭质量(g)。

2 结果与讨论

2.1 溶液pH对吸附量的影响

图1是不同pH下生物质炭吸附Cd2+的情况。从图1中可以看出,随着pH的增大,其Cd2+吸附量基本不发生变化。原因是虽初始pH不同,但当加入同量生物质炭后,溶液pH发生改变,Cd2+发生吸附反应时pH十分接近。从图2中还可以看出溶液初始pH越低,加入生物质炭后pH变化幅度越大,变化范围为0.32～3.28个单位,最大提高了原始pH的89%。Cui等[9]在施用生物质炭降低水稻对Cd吸收研究中,指出施用生物质炭可以显著提高酸性土壤的pH,增加土壤Cd2+吸附固定,从而降低水稻对Cd的吸收。

图1 pH对Cd2+吸附的影响

Mohammad等[1]在水稻壳去除和修复废水中Cd(Ⅱ)的应用研究中,发现溶液pH在2～12之间时,Cd2+的去除率一直在增加,并且稻壳吸附Cd2+比例大于沉淀的比例。Wanna等[10]用榴莲皮吸附水溶液中Cd2+,pH为5时吸附量最大,pH超过6时吸附量减小。本试验结果表明,pH在4～7.5之间时Cd2+吸附量并无差异。不同研究结果表明,pH对Cd2+吸附的影响不一致,pH影响吸附的机理有待进一步研究。

图2 添加生物质炭对溶液pH的影响

2.2 生物质炭粒径对Cd2+吸附的影响

从图3可以看出,生物质炭粒径越小,吸附能力越大。粒径小于1 mm筛的与小于2 mm筛的吸附量没有差异,吸附量是2.5 mg·g-1；小于0.25 mm筛的吸附量是3.87 mg·g-1,后者与小于0.15 mm筛的吸附量也没有显著差异。因此,用作吸附剂时,生物质炭破碎和过筛的粒径以0.25 mm为宜。

图3 生物质炭粒径对Cd2+吸附的影响(p<0.05)

因此,对于去除水溶液中Cd2+来说,采用此种生物质炭,控制溶液Cd2+质量浓度30 mg·L-1,粒径0.25 mm, 投料比8 g·L-1,反应温度25 ℃,反应时间1～2 h, 可以达到去除废弃水中Cd2+80%的效果。由此可见,人居生活生物质废弃物经热裂解炭化而产生生物质炭,可以用于受污染水体中重金属Cd的去除。因此,生物质炭环境技术和产品可能是这些生物质资源化的新去向。

3 结论

(1) pH对吸附影响试验的结果表明,pH对吸附量的影响不显著。添加生物质炭后溶液pH升高,且低浓度生高的幅度更显著。最佳pH范围是4～7.5,在此区间Cd2+的吸附量不受pH影响。

(2) 生物质炭粒径对吸附影响试验的结果表明,粒径越小,吸附量越大。

参考文献:

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[11] 赵宇侠，周正，祝春水.生物黑炭的施加对连云港滨海盐碱土的改良作用[J].淮海工学院学报:自然科学版,2013,22(4):51-54.