污泥基陶粒制備及降解雙酚A的方法研究

摘 要：基于低碳環(huán)保理念，利用污泥資源化再生制備污泥基陶粒，并對水中雙酚A起到降解作用。其研究結(jié)果表明，污泥、蒙脫土、變性淀粉配比為7∶3∶2，用木薯變性淀粉制備的污泥基陶粒綜合性能最佳。用污泥基陶粒對水體中雙酚A進(jìn)行降解試驗，通過單因素試驗得出最佳的反應(yīng)條件：最佳反應(yīng)時間為4h，污泥基陶粒最佳投加量為25g，對雙酚A降解率高達(dá)90%，循環(huán)再生利用可達(dá)4次，其降解率基本維持在70%。

關(guān)鍵詞：污泥基陶粒；雙酚A；降解

中圖分類號：X 70" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

雙酚A是一種內(nèi)分泌干擾物，會導(dǎo)致內(nèi)分泌失調(diào)，威脅著胎兒和兒童健康，還會導(dǎo)致一些免疫、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、惡性腫瘤等[1]，易通過水體進(jìn)入人體內(nèi)，對生命健康產(chǎn)生不可估量的影響。雙酚A廣泛應(yīng)用于包裝材料上，這也引起了各國對食品及各種包裝材料的廣泛關(guān)注[2]。目前對雙酚A的主要處理方法為物理吸附法、生物法、高級氧化法[3-4]，能否對其進(jìn)行高效處理是需要進(jìn)一步探索的問題。通過綜合考慮，結(jié)合城市污泥特性，有機(jī)物含量高，易腐化發(fā)臭，處置不當(dāng)極易對自然環(huán)境造成影響[5-6]。因為有機(jī)質(zhì)含量高，所以制備的污泥基陶粒對水中雙酚A能起到吸附降解的作用，很大程度上緩解了生活污泥對環(huán)境產(chǎn)生的壓力[7-9]。這不僅解決了污泥過量帶來的環(huán)境問題，還解決了水環(huán)境中雙酚A帶來的危害，對改善環(huán)境具有重要意義。

1 試驗部分

1.1 儀器設(shè)備

DHG-9140A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，UV-5100型紫外可見分光光度計，MiniFlex600-C型 X射線衍射儀，IR-1S型傅里葉變換紅外光譜儀，DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器。

1.2 污泥基陶粒制備及降解雙酚A的測試方法

制備污泥基陶粒：根據(jù)不同配方稱取污泥、蒙脫土、變性淀粉放置于燒杯中，加入適量水，制成泥狀，再制備相應(yīng)粒徑污泥基陶粒，風(fēng)干24h，選取適宜碳化溫度、燒結(jié)時間制備污泥基陶粒。

稱取適量污泥基陶粒裝入酸式滴定管中，再將適量雙酚A測試液勻速滴定酸式滴定管中，根據(jù)不同影響因素進(jìn)行設(shè)計，反復(fù)滴定直至吸附飽和狀態(tài)，取上清液用紫外可見分光光度計測定雙酚A的吸光度，繪制雙酚A溶液標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，計算濃度和降解率，并設(shè)置平行樣和空白試驗對照。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 不同碳化溫度制備污泥基陶粒

隨著碳化溫度不斷升高，污泥基陶粒的碳化程度會加深。當(dāng)碳化溫度在200℃～300℃時，污泥基陶粒表面完全碳化，其內(nèi)部不完全碳化，中心部位仍出現(xiàn)污泥原始的褐色。當(dāng)碳化溫度為350℃時，污泥基陶粒內(nèi)外均呈現(xiàn)黑色，表明該溫度下污泥基陶粒完全碳化。當(dāng)碳化溫度為400℃時，污泥基陶粒內(nèi)部呈現(xiàn)黑色，但表面出現(xiàn)灰化現(xiàn)象，表明該溫度條件下污泥基陶粒過度碳化。適當(dāng)提升碳化溫度，可以使胚料中的有機(jī)物充分分解，有利于污泥基陶粒膨脹，增加陶粒比表面積及活性位點的裸露，從環(huán)境經(jīng)濟(jì)性上分析，污泥基陶粒在350℃條件下碳化最合適。不同碳化溫度制備污泥基陶粒成型情況如圖1所示。

2.2 不同配比對雙酚A降解的影響

由圖2可知，隨著變性淀粉增加，雙酚A的降解率也隨著增加并逐漸趨于平穩(wěn)。當(dāng)污泥、蒙脫土、變性淀粉比例為7∶3∶0.5時，降解率僅為10.1%，添加的淀粉量較少會導(dǎo)致偏硬不易成型，不利于陶粒制備，且燒結(jié)后，相對比表面積較小。當(dāng)?shù)矸酆繛?～2時，其降解率由28.3%增至54.4%，說明隨著淀粉量增加，糊化效果較好，混勻較快，有利于污泥基陶粒制備，且燒結(jié)后淀粉容易碳化，形成較多微細(xì)空隙增加陶粒的比表面積，碳化效果較為明顯，有利于陶粒表面的羥基自由基裸露，提高其對水中雙酚A的吸附降解效率。當(dāng)變性淀粉含量增至2.5～3時，其吸附降解效果基本維持在相對平穩(wěn)的狀態(tài)，降解率約為54%，糊化效果明顯，因此易于陶粒成型，但淀粉過多也會導(dǎo)致碳化的穩(wěn)定性變差，其有效的羥基自由基活性位點未出現(xiàn)明顯增加，導(dǎo)致降解效果未提升。

綜上所述，從環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益方面來看，選取污泥、蒙脫土、變性淀粉配比為7∶3∶2最合適，其降解率為54.4%。

對不同品種變性淀粉材料進(jìn)行探究，其中以木薯變性淀粉對雙酚A的吸附降解效果最佳，其降解率高達(dá)65.3%，而馬鈴薯淀粉、羥丙基淀粉、支鏈淀粉、玉米淀粉的降解率分別為56.7%，57.2%，58.7%，56.7%，木薯變性淀粉通過變性消除黏性，在陶粒燒結(jié)過程中，陶粒內(nèi)部容易產(chǎn)生疏松結(jié)構(gòu)，增加了污泥基陶粒的空隙及比表面積，便于羥基自由基活性位點保存及裸露，從而給雙酚A分子提供了更多的接觸反應(yīng)時間與空間，提高了其吸附能力。綜上所述，變性淀粉選取木薯淀粉對水中雙酚A的吸附降解效果最佳，其降解率為65.3%。

2.3 不同降解時間對雙酚A降解的影響

由圖3可知，在相同的試驗條件下，反應(yīng)時間與降解效果成正比，趨勢從上升到平穩(wěn)。當(dāng)反應(yīng)時間為1h時，雙酚A降解率最低，為18.8%，說明反應(yīng)時間不充分，溫度較低，反應(yīng)速度慢，導(dǎo)致降解率最低。當(dāng)反應(yīng)時間增至4h時，污泥基陶粒對水中雙酚A降解效果呈現(xiàn)上升趨勢，其降解效果達(dá)到最佳，為71.4%，說明適當(dāng)延長反應(yīng)時間，對整個吸附降解反應(yīng)過程起促進(jìn)作用。污泥基陶粒降解雙酚A，開始時是以物理吸附為主，化學(xué)吸附為輔，因此短時間是通過陶粒表面的空隙通道截留雙酚A，快速降低水中的雙酚A含量，但吸附率不高，需要足夠的接觸時間，轉(zhuǎn)為更穩(wěn)定的化學(xué)吸附，通過陶粒表面的羥基自由基活性位點進(jìn)一步捕獲雙酚A，隨著反應(yīng)時間增加，吸附降解效果越好，最終達(dá)到吸附飽和狀態(tài)，此時降解率達(dá)到最高。隨著時間延長到5h，降解率也不再提高。綜上所述，從環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益和能源效益上分析，污泥基陶粒反應(yīng)降解雙酚A最適時間為4h。

隨著污泥基陶粒投加量增加，雙酚A 的降解率也隨之提高。當(dāng)陶粒從5g增至10g時，降解率提高了26%，說明投加量較少時，與雙酚A有效接觸位點較佳，吸附降解效果越好。隨著陶粒質(zhì)量增加，每增加5g～25g，其降解率達(dá)到90.6%，同時降解率增加幅度逐漸降低，說明反應(yīng)速率變緩，當(dāng)雙酚A的濃度降至一定值時，影響其總體吸附降解率，而隨著陶粒投加量增加，反應(yīng)時間也會相應(yīng)延長，綜合效率反而下降，結(jié)合吸附降解速率與時間的關(guān)系，再增加陶粒投加量的意義不大。綜上所述，最佳投加量為25g。

2.4 陶粒循環(huán)再生對雙酚A降解的影響

由圖4可知，對陶粒進(jìn)行活化再生處理后，均有較高的再吸附降解能力，重復(fù)吸附降解的效率相對較好，基本維持在73%，與第一次產(chǎn)品運用時相比，降解率高達(dá)90%，也是相對可觀的，整體而言，該處理對環(huán)境保護(hù)作用及低碳環(huán)保具有深遠(yuǎn)的意義。因此再生過程中的表面相對孔隙有利于維持羥基自由基等活性位點的活性，便于再生利用，實現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)價值。約 180℃時，雙酚 A 會發(fā)生分解，因此在活化過程中，也要避免雙酚A逃逸對其他環(huán)境產(chǎn)生二次污染，通過馬弗爐煅燒能夠有效減少雙酚A二次污染。污泥基陶粒重復(fù)第五次后，其陶粒表面出現(xiàn)融化與坍塌的現(xiàn)象，不利于回收再生，且反應(yīng)后溶液有點渾濁。

綜上所述，從環(huán)境效益上分析，污泥基陶粒重復(fù)回收4次最合適，其降解率約為70%。

2.5 污泥基陶粒XRD表征

由圖5可知，污泥基陶粒主要含有SiO2、Fe2O3、Al2O3、Al（OH）3等無機(jī)物質(zhì)，這些物質(zhì)主要是由污泥、蒙脫土含有的無機(jī)化合物經(jīng)燒結(jié)產(chǎn)生的。其中，SiO2峰形尖銳最明顯，說明其結(jié)晶度高。Fe2O3峰形較弱，說明含量較低和結(jié)晶度不佳。Al（OH）3表現(xiàn)出明顯的寬峰形態(tài)，說明污泥中有機(jī)質(zhì)成分活性位點與其OH-之間可能形成氫鍵、范德華力等分子間作用導(dǎo)致峰形變?nèi)踝儗挘移渌麩o機(jī)質(zhì)成分中大量存在氧活性位點，均有利于羥基自由基的生成，同時鐵離子、鋁離子具有一定催化作用，能夠有效增強雙酚A的吸附降解效果。

3 結(jié)論

本文根據(jù)以廢治廢的理念，利用污泥中有機(jī)質(zhì)含量高的特征，根據(jù)不同配方將污泥、蒙脫土和木薯變性淀粉按比例輔配用于制備污泥基陶粒，通過燒結(jié)碳化過程，有效降低有機(jī)質(zhì)成分以促進(jìn)羥基自由基的生成及空隙通道形成，并利用淀粉碳化增加陶粒的比表面積，開發(fā)了一種高效、穩(wěn)定大孔復(fù)合材料，并探究對雙酚A吸附降解的效應(yīng)，對雙酚A的降解率高達(dá)90%，循環(huán)再生利用可達(dá)4次，降解率基本維持在70%，以此實現(xiàn)低碳環(huán)保，達(dá)到以廢制廢的目標(biāo)，為今后相關(guān)研究提供一定的借鑒作用。

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通信作者：蔡聰育（1986-），男，漢族，福建仙游人，碩士，講師，研究方向為水環(huán)境治理及固廢高質(zhì)化利用。

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