污泥-核桃殼復(fù)合活性炭制備及其吸附性能研究★

王春芳，李文靜，郝曉雅，郝變梅，解雅娟，武家玉

（太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030008）

引言

近年來，隨著城鎮(zhèn)污水廠規(guī)模的擴(kuò)大和數(shù)量的增加，剩余污泥產(chǎn)量增加。而其成分復(fù)雜，含水率高，含有大量有機(jī)物、重金屬以及大量的細(xì)菌、病毒、寄生蟲等，未經(jīng)處理就任意排放，會對環(huán)境造成嚴(yán)重危害[1]?，F(xiàn)階段污泥處理技術(shù)主要有填埋、焚燒、消化、脫水和遠(yuǎn)洋拋投等[2-5]。與傳統(tǒng)方法相比，利用剩余污泥制備活性炭技術(shù)是將污泥資源化利用的有效途徑之一，且符合國家節(jié)能減排政策。由于污泥灰分含量高而含碳量低、微孔較少、比表面積不高[6]，使其應(yīng)用性差。而核桃殼具有木質(zhì)素含量高、質(zhì)地堅硬且多微孔、比表面積大、價格低廉的特點(diǎn)，使用核桃殼作為增碳劑，既可以實(shí)現(xiàn)廢棄核桃殼的資源化利用，又可降低活性炭的制備成本，應(yīng)用前景非常廣闊[7]。染料廢水顏色深，COD值大，污染負(fù)荷大，常含有難被生物降解的有機(jī)染料成分，有機(jī)染料在環(huán)境中停留時間較長并具有潛在毒性，是較難處理的有機(jī)廢水之一[8]。因此，本文以城市剩余污泥為原料，核桃殼作為增碳劑，通過氯化鋅活化法，采用單因素實(shí)驗(yàn)，制備出最佳吸附性能的活性炭。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、試劑及儀器

剩余污泥取自太原市某污水處理廠；廢棄核桃殼。

氯化鋅、鹽酸、無水硫酸銅、亞甲基藍(lán)等，均為分析純。

電熱恒溫干燥箱、箱式電阻爐、回旋式振蕩器、電子天平等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

分別取污泥、核桃殼為原料，在不同條件下進(jìn)行活化處理，對比不同條件下制備的活性炭的吸附性能，得到最佳制備條件。

1.2.1 剩余污泥-核桃殼復(fù)合活性炭的制備

首先，將從太原市某污水處理廠取得的剩余污泥，均勻攤開，在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后，用研缽磨碎至可以用孔徑為0.105 mm 的篩子篩下，裝袋備用。其次，用粉碎機(jī)把核桃殼粉碎至可以用孔徑為0.105 mm 的篩子篩下，收集備用。再次，按一定比例稱取干污泥粉與核桃殼粉末，放入燒杯中，加入一定濃度的氯化鋅溶液，按一定浸漬比浸漬1 d，隨后于105 ℃下干燥。將處理后的樣品裝入帶蓋坩堝中，送進(jìn)馬弗爐，升溫至所需溫度，并停留一定時間，取出樣品，用鹽酸洗滌，過濾，用水濾洗至pH 接近7。最后，將制備的復(fù)合活性炭干燥，研磨，且用0.180 mm 篩子過篩，留作后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。

1.2.2 亞甲基藍(lán)吸附值的測定

稱取經(jīng)0.180 mm 篩子過篩后的干燥試樣0.100 g，于100 mL 具磨口塞的錐形瓶中，用滴定管加入適量的亞甲基藍(lán)試液，待試樣全部濕潤后，立即置于回旋式振蕩機(jī)上振蕩20 min，環(huán)境溫度為室溫，并用中速定性過濾紙進(jìn)行過濾，將濾液與硫酸銅標(biāo)準(zhǔn)濾色液（稱取4.000 g 結(jié)晶硫酸銅溶于1 000 mL 水中）的顏色相對照，所耗用亞甲基藍(lán)試液的體積即為試樣的亞甲基藍(lán)吸附值。由式（1）可求出亞甲基藍(lán)吸附值。

式中：A 為亞甲基藍(lán)吸附值，mg/g；B 為亞甲基藍(lán)吸附值，mL/0.1g。

2 結(jié)果與討論

2.1 活化溫度的確定

活化溫度對亞甲基藍(lán)吸附值的影響如下頁圖1所示。由圖1 可知，從300 ℃～450 ℃，吸附值從36 mg/g升至48 mg/g，從450 ℃～600 ℃，吸附值隨之減小。其主要原因是，低溫環(huán)境制備污泥活性炭，溫度達(dá)不到所需值，污泥不能徹底地炭化活化，不能生成有效的微孔，活性炭吸附能力不好。當(dāng)溫度逐漸升高，剩余污泥活化更充分，并且有利于污泥中的揮發(fā)分析出，氯化鋅對剩余污泥起到侵蝕、水解和脫水等作用，使之形成豐富的孔隙，活性炭吸附值提高。當(dāng)溫度過高時，活性炭碳素?zé)龤?yán)重，而使活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，豐富的微孔變大，活性炭吸附能力降低。此外，溫度過高會使氯化鋅蒸汽壓增大，氯化鋅含量減少，進(jìn)而使污泥活化不充分，活性炭吸附值下降。因此，活化最適溫度選擇450 ℃。

圖1 活化溫度對亞甲基藍(lán)吸附值的影響

2.2 活化時間的確定

活化時間對亞甲基藍(lán)吸附值的影響如圖2 所示。從活化30 min～60 min，吸附值逐漸升高，60 min 之后，活性炭吸附值減小。在一定溫度下，活化時間過短，污泥炭化活化不充分，有效孔隙結(jié)構(gòu)較少，活性炭吸附值較低?；罨瘯r間60 min，反應(yīng)完全，吸附值最高?；罨瘯r間過長，前期反應(yīng)生成的結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，微孔較少，有中、大孔形成，活性炭吸附值減小。因此，最佳活化時間選擇60 min。

圖2 活化時間對亞甲基藍(lán)吸附值的影響

2.3 浸漬比的確定

浸漬比對亞甲基藍(lán)吸附值的影響如圖3 所示。從圖3 可知，隨著溶液體積的增加，活性炭的亞甲基藍(lán)吸附值從40.5 mg/g 升高至48 mg/g，又降至40.5 mg/g。在氯化鋅溶液為污泥質(zhì)量的1.5 倍時，活性炭的亞甲基藍(lán)吸附值最大，制備的活性炭吸附性能最好。在本文中浸漬比是指剩余污泥與氯化鋅溶液的比例。浸漬比小，氯化鋅含量少。當(dāng)浸漬比逐漸增大時，氯化鋅含量也逐漸增多，活性炭吸附值增大。但浸漬比過大時，氯化鋅含量過高，反應(yīng)快，活性炭吸附值降低，吸附性能減弱。因此，選擇最佳浸漬比1∶1.5。

圖3 浸漬比對亞甲基藍(lán)吸附值的影響

2.4 活化劑濃度的確定

活化劑濃度對亞甲基藍(lán)吸附值的影響如圖4 所示。濃度從1 mol/L～5 mol/L，活性炭的亞甲基藍(lán)吸附值逐漸上升。且濃度為5 mol/L 時，活性炭吸附值最高，活性炭的吸附性能最好。這主要是利用氯化鋅的脫水縮合，并抑制制備活性炭中焦油的產(chǎn)生，加快形成碳骨架及微孔。濃度低時，氯化鋅的含量就比較少，剩余污泥不能充分活化，形成的孔隙較少，活性炭的吸附性能小。因此，選擇5 mol/L 為最適活化濃度。

圖4 活化劑濃度對亞甲基藍(lán)吸附值的影響

2.5 原料配比的確定

原料配比對亞甲基藍(lán)吸附值的影響如圖5 所示。由圖5 可知，隨著核桃殼添加比的增加，活性炭的亞甲基藍(lán)吸附值上升，從20%到40%，活性炭吸附值下降，但下降趨勢不大。因?yàn)楹颂覛ず写罅磕举|(zhì)素，含碳量較高。本文研究的主要對象是剩余污泥，目的是剩余污泥的資源化。核桃殼僅作為增碳劑，根據(jù)活性炭的亞甲基藍(lán)的吸附值變化趨勢，選擇核桃殼添加比20%為最佳的原料配比。

圖5 原料配比對亞甲基藍(lán)吸附值的影響

3 結(jié)論

將市政污水處理后的剩余污泥和核桃殼混合，用氯化鋅活化法制備剩余污泥-核桃殼復(fù)合活性炭。

制備剩余污泥-核桃殼復(fù)合活性炭的最佳條件為：活化溫度為450 ℃，活化時間為60 min，活化劑濃度為5 mol/L，浸漬比為1∶1.5，核桃殼添加比為20%。在此條件下，活性炭的亞甲基藍(lán)吸附值最高，活性炭吸附性能最好。