污泥基吸附剂的制备与应用研究

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随着人口的急剧增长和城市用水量的增加,城市污水污泥的产量也日益增加,合理处置产量巨大的污水污泥并尽可能避免其所带来的危害引起公众的广泛关注。污泥处置的最终目标是实现减容化、稳定化和无害化。本文以城市污水处理厂产生的剩余污泥为原料,采用高温热解与化学活化法将其制备为多孔含碳吸附材料。采用正交实验和单因素实验研究了污泥基吸附剂制备的相关影响因素,包括活化剂的浓度、活化剂与干污水污泥质量比、热解终温、停留时间和酸洗步骤等。结果表明,污泥基吸附剂制备的最佳条件是活化剂浓度3mol·L-1、质量比1:1、热解终温650℃和停留时间30min。制得吸附剂的比表面积为270.08 m2·g-1,总孔体积为0.27 cm3·g-1,微孔体积为0.05 cm3·g-1。通过扫描电子显微镜(SEM)、比表面积分析、傅里叶红外转换光谱(FT-IR)、X射线衍射能谱(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等高级测试研究发现,热解与化学活化使污泥基吸附剂表面形成了丰富的孔隙结构与多种化学官能团。热解终温对污泥基吸附剂表面化学结构影响很大,尽管不同热解温度制得的污泥基吸附剂具有相似的孔隙结构,但热解终温越高,其表面碳元素含量越高,官能团含量越低。污泥基吸附剂表面含氧官能团是吸附活性位,其含量影响污泥基吸附剂表面化学结构与吸附特性。此外,污泥基吸附剂中的重金属砷、镉、汞、镍和铜在pH为1-12环境中几乎未发生浸出;铬、铅和锌浸出浓度小于最高允许值。故污泥基吸附剂在使用过程中对周围水环境的危害基本可以忽略。污泥基吸附剂对脂的去除率在pH为2-10的环境中很稳定,去除率基本在85%以上,最高可达到96%。污泥基吸附剂剂量为4.0g·L-1时脂的去除率为97%,是粉末活性炭的1.15倍。污泥基吸附剂和粉末活性炭对脂的吸附可以较好的拟合Freundlich吸附模型,但对Langmuir吸附模型拟合较差。污泥基吸附剂对脂的吸附机理主要为污泥基吸附剂表面的含氧官能团与有机物分子之间的反应,还有污泥基吸附剂表面Si、Ca和Fe元素与有机物分子之间的反应。
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