李鎮(zhèn)鎮(zhèn), 武家玉
(太原工業(yè)學院環(huán)境與安全工程系,山西 太原 030008)
近幾年,我國污水排放量不斷上升,到2020年城市污水日處理量達到1.92億 m3,其處理后所得的污泥達6 000萬t[1]。剩余污泥成分復雜,很多污染物難以通過自然過程降解處理[2]。所以,如何妥善地處理市政污水處理后的剩余污泥,使其達到資源化、減量化、無害化,已成為處理環(huán)境問題中急需解決的問題[3]。剩余污泥經活化炭后可產生孔狀構造,形成活性炭,稱為污泥基活性炭[4]。而污泥基活性炭在廢水處理中已經得到了廣泛的應用[5-8]。本文采用氯化鋅活化法,將市政污水處理后的剩余活性污泥與花生殼混合,制備花生殼-污泥基活性炭,通過改變制備條件探究花生殼-污泥基活性炭的最佳吸附性能。
本實驗原料選取自太原市某污水處理廠的剩余污泥,花生殼取自太原市郊區(qū)某農戶家;氯化鋅(天津市北辰方正試劑廠)、硫代硫酸鈉(天津市祥瑞鑫化工科技有限公司)、碘(金海碘化工有限公司)、碘化鉀(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,均為分析純。
1.2.1 花生殼-污泥基活性炭的制備
將剩余活性污泥在105 ℃下干燥至恒重。將干污泥和花生殼分別磨碎過0.125 mm篩,備用。稱取干污泥顆粒與花生殼顆粒按比例添加,加入一定濃度氯化鋅溶液,按一定浸漬比浸漬1 d,于105 ℃下干燥。將處理后樣品裝入帶蓋坩堝中,馬弗爐焙燒。取出樣品,用鹽酸洗滌,過濾,用水濾洗至中性。將制備的復合活性炭干燥,研磨,過0.180 mm篩,留作后續(xù)實驗使用。
1.2.2 吸附性能研究
通過單因素實驗,以碘吸附值為參考,探究活化溫度、活化時間、活化劑濃度、浸漬比、原料配比對活性炭吸附影響?;钚蕴康庵禍y定采用《木質活性炭試驗方法碘吸附值的測定》。
由第15頁圖1可知,從300 ℃~600 ℃,碘值從434.23 mg·g-1升至518.64 mg·g-1。繼續(xù)升高溫度,碘值隨之減小。其主要原因是,低溫環(huán)境制備污泥活性炭,溫度達不到所需值,污泥不能徹底地炭化活化,難以生成有效的微孔,活性炭吸附能力不好。當溫度逐漸上升,剩余污泥活化更加充分,并且污泥中的揮發(fā)分逐漸析出。氯化鋅對剩余污泥起到侵蝕、水解、脫水等作用,使其形成豐富的孔隙結構,活性炭碘值提高。當溫度過高時,活性炭碳素燒毀嚴重,進而使活性炭的孔隙結構被破壞,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,污泥活化不充分,活性炭碘值下降。因此,活化最佳溫度選擇600 ℃。
圖1 活化溫度對活性炭碘值和產率的影響
由第15頁圖2可知,活化時間從30 min~60 min,碘值從455.34 mg·g-1一直提高到518.67 mg·g-1。
圖2 活化時間對活性炭碘值和產率的影響
60 min之后,活性炭碘值持續(xù)減小。在一定溫度下停留時間過短,污泥炭化活化不足,有效孔隙結構較少,活性炭碘值較低。活化時間60 min,反應完全完成,碘值最高。停留時間過長,前期反應生成的結構會出現燒結現象,微孔減少,有中孔、大孔形成,活性炭的碘值減小。因此,最佳活化時間選擇60 min。
由圖3可知,活化劑濃度從1 mol/L到3 mol/L,活性炭碘值上升,活化劑濃度從3 mol/L到5 mol/L,活性炭碘值下降至269.32 mg·g-1。活化劑濃度為3 mol/L時,活性炭的碘值最高,此時活性炭的吸附性能最好。這主要利用氯化鋅的脫水縮合,并且抑制制備活性炭中焦油的產生,加快形成碳骨架及微孔?;罨瘎舛鹊?,氯化鋅含量比較少,剩余污泥不能得到充分的活化,形成的孔隙較少,吸附性小;活化劑濃度高時,活化更加充分,形成的孔隙結構更佳,活性炭吸附能力更佳;但當濃度過高時,活化反應過快,之前形成的微孔和小孔容易侵蝕成中孔和大孔,有效孔數量減少,活性炭的碘值降低,吸附能力變弱。與此同時,過多的氯化鋅會殘留在活性炭的孔隙之間,難以洗滌干凈,也會降低吸附性能。因此,選擇3 mol/L為最佳活化劑濃度。
圖3 活化劑濃度對活性炭碘值和產率的影響
從圖4可得出,隨著溶液體積的增加,活性炭的碘吸附值從338.49 mg·g-1先增高到518.88 mg·g-1,后又降到451.04 mg·g-1。在氯化鋅溶液為污泥質量的2.5倍時,活性炭的碘吸附值最大,制備的活性炭吸附性能最好。浸漬比指浸漬物與浸漬液體的比例。在本實驗中指剩余污泥與氯化鋅溶液的比例。浸漬比小,氯化鋅含量少;當浸漬比逐漸增大時,氯化鋅含量逐漸增多,活性炭碘值增大;但浸漬比過大時,氯化鋅含量過高,反應快,活性炭碘值降低,吸附性能減弱。因此,選擇最佳浸漬比為1∶2.5。
圖4 浸漬比對活性炭碘值和產率的影響
由圖5可知,隨著花生殼添加比的增加,活性炭碘值一直上升,活性炭的吸附性能增強。這主要是因為,花生殼含有大量的纖維素和半纖維素,含碳量達47%左右?;钚蕴康漠a率隨花生殼添加比的增加而減少。本次實驗研究的主要對象是剩余污泥,研究目的是剩余污泥的資源化,花生殼僅作為增碳劑,所以結合活性炭碘值和產率的變化趨勢,選擇花生殼添加比30%為最合適的原料配比。在此條件下,活性炭碘值達541.60 mg·g-1。
圖5 花生殼添加比對活性炭碘值和產率的影響
1) 用氯化鋅活化法制備花生殼-污泥基活性炭具有很好的吸附能力。
2) 在活化溫度為600 ℃,活化時間為60 min,活化劑濃度為3 mol/L,浸漬比為1∶2.5,花生殼添加比為30% 的條件下,制備的花生殼-污泥基活性炭吸附性能最佳。