厨余垃圾生物炭的制备及其吸附水中氨氮的研究

2022-06-15薛姗

供水技术 2022年2期

薛姗

(天津市津北水务有限公司，天津 300403)

厨余垃圾是城市生活垃圾的主要组成部分，主要包括供人类使用后丢弃的生活垃圾。厨余垃圾中含有大量的有机化合物，属于被放错位置的资源。我国的厨余垃圾年产量持续增加，但缺少较完善的垃圾资源化的处理技术方法。资源化利用厨余垃圾不仅可以避免资源浪费，还可以减少废弃物的排放，保护环境。需要采取“绿色环保”的方法来解决这个问题：首先，找到适当的处理厨余垃圾的工艺方法，实现厨余垃圾可持续以及垃圾资源化回收利用，减少厨余垃圾的二次污染，充分利用这些被丢弃的资源；其次，使用经济可持续的方法实现厨余垃圾减量化以及资源化利用。笔者以厨余垃圾为原材料制备新型生物炭，研究其作为吸附剂去除水溶液中氨氮的效果，以实现废物利用和垃圾资源的循环利用。此外，吸附后的生物炭可作为肥料应用于土壤中，是一种绿色节能、经济高效的废物利用技术手段。

1 材料与方法

1.1 试验原材料

厨余垃圾主要取材于食堂，将收集的厨余垃圾分为7种，分别为肉和骨头、淀粉类、剩菜叶、坚果类、果皮、豆渣以及茶叶渣。

1.2 试验仪器

马弗炉、破碎机、电热鼓风干燥箱、电子天平、超声波清洗仪、恒温水浴锅、pH计、紫外可见分光光度计。

1.3 试验方法

1.3.1厨余生物炭的制备

将原材料按照分类不同分别放置于通风口处，风干48 h后放入烘箱，于105℃烘干24 h，使用研磨机研磨后经100目筛网筛分。将其放入马弗炉裂解，升温速率设定为5℃/min到达最终温度400℃，停留时间为4 h。待马弗炉温度降至室温，将样品取出。裂解后的生物炭样品用研钵进行研磨再过100目筛网待用。生物炭样品分别标记为MBBC、SSBC、SLVBC、NHSC、FPBC、BDBC和TLBC。

1.3.2吸附试验

(1)吸附等温线

称取0.1 g生物炭于离心管中，分别加入氨氮浓度为5，10，20，50，100和150 mg/L的NH4Cl溶液10 mL，25℃下以150 r/min恒温震荡24 h后取出离心管，经0.45 μm滤膜过滤后，测定滤液中的氨氮浓度。计算平衡时生物炭对氨氮的吸附量qe(mg/g)：

(1)

式中C0为初始氨氮浓度，mg/L；Ce为吸附后滤液中氨氮浓度，mg/L；M为生物炭质量，g；V为溶液体积，L。

(2)吸附动力学

称取0.1 g生物炭于离心管中，加入氨氮浓度为20 mg/L的NH4Cl溶液10 mL，25℃下以120 r/min的震速恒温震荡，分别在5，10，15，20，25，30，40，50，60，120，180，240，300，420，720，960，1 020，1 440和2 880 min后取出离心管，经0.45 μm滤膜过滤后，依据《纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)测定滤液中的氨氮浓度，计算t时刻生物炭对氨氮的吸附量qt。

2 试验结果与分析

2.1 吸附等温线模型拟合

7种厨余垃圾生物炭对氨氮的等温吸附线如图1、图2所示，生物炭对氨氮的吸附量与初始浓度呈正相关的关系。使用Langmuir和Freundlich方程来拟合不同的厨余垃圾生物炭对氨氮的吸附效果。

图1 生物炭对氨氮的 Langmuir 吸附等温线

图2 生物炭对氨氮的 Freundlich 吸附等温线

Langmuir 等式：

(2)

Freundlich 等式：

(3)

式中，Qe为平衡吸附量，mg/g；Qmax为理论最大吸附量，mg/g；Ce为吸附平衡质量浓度，mg/L；KL、KF、n分别为特征常数，KF和n可分别表达吸附能力和吸附剂表面异质性，1/n越小表明吸附剂表面异质性越强烈。

由表1可知，生物炭吸附氨氮的Langmuir方程拟合相关系数大于Freundlich方程，Langmuir方程可以更好地描述生物炭吸附氨氮的过程。Langmuir方程是单层表面化学吸附模型，这表明吸附过程结束后，吸附质分布在生物炭毛孔结构的表面。由生物炭吸附氨氮的最大容量Qmax可知，氨氮吸附容量最大和最小的生物炭分别为TLBC(7.174 mg/g)和MBBC(2.174 5 mg/g)。由此可推断富含纤维素、半纤维素的生物质，例如水果皮、茶叶渣和坚果皮的吸附效果更好，比表面积和总孔隙体积是影响生物炭吸附氨氮的两个主要因素。

表1 生物炭对氨氮的Langmuir和Freundlich等温吸附模型参数

2.2 吸附动力学模型拟合

7种不同厨余垃圾生物炭吸附氨氮的伪一级动力学和伪二级动力学拟合曲线如图3所示。

图3 生物炭吸附氨氮的动力学拟合曲线

从图3可以看出其吸附量随着时间的推移而增加，吸附过程为3个阶段：在初始吸附阶段(0～250 min)，FPBC、NHBC、BDBC、TLBC和SLVBC的吸附量随时间迅速增加；250～1 500 min吸附速度缓慢下降；在1 500 min后，吸附量没有明显增加并趋于平缓直至吸附过程最终达到平衡。SSBC和MBBC的吸附能力比其他5种生物炭的吸附能力更差。在大约1 000 min，这2种生物炭比其他5种提前达到平衡，可能是因为其表面具有比其他5种较强的吸附点位活性，在与污染物反应初期快速达到吸附平衡。

7种厨余垃圾生物炭在持续1 500 min的周期内完成吸附过程，其中FPBC(Qe=3.436 8 mg/g)的平衡吸附量最大，是潜力巨大的吸附剂。为了描述生物炭吸附氨氮的机理，引入伪一级动力学模型和伪二级动力学模型，来描述氨氮吸附实验数据。

伪一级动力学模型等式：

(4)

伪二级动力学模型等式：

(5)

式中Qt为t时刻氨氮的吸附量，mg/g；Qe为吸附达到平衡时氨氮的吸附量，mg/g；K1为伪一级动力学速率常数，min-1；K2为伪二级动力学速率常数，g/(mg·min)。

如表2所示，生物炭吸附氨氮拟合伪一级动力学方程的R2值小于伪二级方程，且伪一级方程拟合计算所得的平衡氨氮吸附量qe与实验所得吸附值差别较大。这可能是因为伪一级动力学方程具有局限性，只适用于描述吸附的初始阶段，并不能准确地描述氨氮吸附的全部过程。因此，生物炭吸附氨氮的过程并不符合伪一级动力学模型。

表2 生物炭吸附氨氮的动力学参数

伪二级动力学方程更适合描述生物炭对于氨氮的吸附过程，由伪二级动力学方程拟合得到的吸附量更符合实验得出的氨氮吸附量，7种厨余垃圾生物炭对氨氮的吸附行为符合伪二次动力学方程。由此可知，生物炭对氨氮的吸附过程包括外部液体膜扩散、表面吸附和颗粒内扩散等在内的吸附过程，采用伪二级动力学模型可以更全面地反映实际生物炭吸附氨氮的动力学机制；同时也说明厨余垃圾生物炭对于氨氮的吸附动力学主要受化学作用影响，而不受物质传输所控制。