花生壳-污泥基活性炭的制备及吸附性能研究

2022-01-20李镇镇武家玉

山西化工 2021年6期

李镇镇，武家玉

(太原工业学院环境与安全工程系，山西太原 030008)

引言

近几年，我国污水排放量不断上升，到2020年城市污水日处理量达到1.92亿 m3，其处理后所得的污泥达6 000万t[1]。剩余污泥成分复杂，很多污染物难以通过自然过程降解处理[2]。所以，如何妥善地处理市政污水处理后的剩余污泥，使其达到资源化、减量化、无害化，已成为处理环境问题中急需解决的问题[3]。剩余污泥经活化炭后可产生孔状构造，形成活性炭，称为污泥基活性炭[4]。而污泥基活性炭在废水处理中已经得到了广泛的应用[5-8]。本文采用氯化锌活化法，将市政污水处理后的剩余活性污泥与花生壳混合，制备花生壳-污泥基活性炭，通过改变制备条件探究花生壳-污泥基活性炭的最佳吸附性能。

1 实验部分

1.1 实验材料

本实验原料选取自太原市某污水处理厂的剩余污泥，花生壳取自太原市郊区某农户家；氯化锌(天津市北辰方正试剂厂)、硫代硫酸钠(天津市祥瑞鑫化工科技有限公司)、碘(金海碘化工有限公司)、碘化钾(金海碘化工有限公司)、可溶性淀粉(上海展云化工有限公司)等，均为分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 花生壳-污泥基活性炭的制备

将剩余活性污泥在105 ℃下干燥至恒重。将干污泥和花生壳分别磨碎过0.125 mm筛，备用。称取干污泥颗粒与花生壳颗粒按比例添加，加入一定浓度氯化锌溶液，按一定浸渍比浸渍1 d，于105 ℃下干燥。将处理后样品装入带盖坩埚中，马弗炉焙烧。取出样品，用盐酸洗涤，过滤，用水滤洗至中性。将制备的复合活性炭干燥，研磨，过0.180 mm筛，留作后续实验使用。

1.2.2 吸附性能研究

通过单因素实验，以碘吸附值为参考，探究活化温度、活化时间、活化剂浓度、浸渍比、原料配比对活性炭吸附影响。活性炭碘值测定采用《木质活性炭试验方法碘吸附值的测定》。

2 结果与讨论

2.1 活化温度对活性炭吸附性能的影响

由第15页图1可知，从300 ℃～600 ℃，碘值从434.23 mg·g-1升至518.64 mg·g-1。继续升高温度,碘值随之减小。其主要原因是，低温环境制备污泥活性炭，温度达不到所需值，污泥不能彻底地炭化活化，难以生成有效的微孔，活性炭吸附能力不好。当温度逐渐上升，剩余污泥活化更加充分，并且污泥中的挥发分逐渐析出。氯化锌对剩余污泥起到侵蚀、水解、脱水等作用，使其形成丰富的孔隙结构，活性炭碘值提高。当温度过高时，活性炭碳素烧毁严重，进而使活性炭的孔隙结构被破坏，丰富的微孔变大，活性炭吸附能力降低。此外，温度过高会使氯化锌蒸汽压增大，氯化锌含量减少，污泥活化不充分，活性炭碘值下降。因此，活化最佳温度选择600 ℃。

图1 活化温度对活性炭碘值和产率的影响

2.2 活化时间对活性炭吸附性能的影响

由第15页图2可知，活化时间从30 min～60 min，碘值从455.34 mg·g-1一直提高到518.67 mg·g-1。

图2 活化时间对活性炭碘值和产率的影响

60 min之后，活性炭碘值持续减小。在一定温度下停留时间过短，污泥炭化活化不足，有效孔隙结构较少，活性炭碘值较低。活化时间60 min，反应完全完成，碘值最高。停留时间过长，前期反应生成的结构会出现烧结现象，微孔减少，有中孔、大孔形成，活性炭的碘值减小。因此，最佳活化时间选择60 min。

2.3 活化剂浓度对活性炭吸附性能的影响

由图3可知，活化剂浓度从1 mol/L到3 mol/L，活性炭碘值上升，活化剂浓度从3 mol/L到5 mol/L，活性炭碘值下降至269.32 mg·g-1。活化剂浓度为3 mol/L时，活性炭的碘值最高，此时活性炭的吸附性能最好。这主要利用氯化锌的脱水缩合，并且抑制制备活性炭中焦油的产生，加快形成碳骨架及微孔。活化剂浓度低，氯化锌含量比较少，剩余污泥不能得到充分的活化，形成的孔隙较少，吸附性小；活化剂浓度高时，活化更加充分，形成的孔隙结构更佳，活性炭吸附能力更佳；但当浓度过高时，活化反应过快，之前形成的微孔和小孔容易侵蚀成中孔和大孔，有效孔数量减少，活性炭的碘值降低，吸附能力变弱。与此同时，过多的氯化锌会残留在活性炭的孔隙之间，难以洗涤干净，也会降低吸附性能。因此，选择3 mol/L为最佳活化剂浓度。

图3 活化剂浓度对活性炭碘值和产率的影响

2.4 浸渍比对活性炭吸附性能的影响

从图4可得出，随着溶液体积的增加，活性炭的碘吸附值从338.49 mg·g-1先增高到518.88 mg·g-1，后又降到451.04 mg·g-1。在氯化锌溶液为污泥质量的2.5倍时，活性炭的碘吸附值最大，制备的活性炭吸附性能最好。浸渍比指浸渍物与浸渍液体的比例。在本实验中指剩余污泥与氯化锌溶液的比例。浸渍比小，氯化锌含量少；当浸渍比逐渐增大时，氯化锌含量逐渐增多，活性炭碘值增大；但浸渍比过大时，氯化锌含量过高，反应快，活性炭碘值降低，吸附性能减弱。因此，选择最佳浸渍比为1∶2.5。

图4 浸渍比对活性炭碘值和产率的影响

2.5 原料配比对活性炭吸附性能的影响

由图5可知，随着花生壳添加比的增加，活性炭碘值一直上升，活性炭的吸附性能增强。这主要是因为，花生壳含有大量的纤维素和半纤维素，含碳量达47%左右。活性炭的产率随花生壳添加比的增加而减少。本次实验研究的主要对象是剩余污泥，研究目的是剩余污泥的资源化，花生壳仅作为增碳剂，所以结合活性炭碘值和产率的变化趋势，选择花生壳添加比30%为最合适的原料配比。在此条件下，活性炭碘值达541.60 mg·g-1。