市政污泥热解生物炭的制备及其对Ni2+的吸附性能研究

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随着市政污水处理量的逐步增大,随之而来的市政污泥产生量也日益增多,同时由于国家陆续制定了一系列严格化的污泥排放要求,导致对污泥进行妥善处理处置成为一大难题。而传统的污泥处理处置方法都存在很大弊端,污泥热解技术作为污泥资源化的一大方向,引起众多学者研究。近些年来部分学者研究发现,污泥热解制备的生物炭能够有效吸附去除重金属。另一方面,镀镍技术因其性能优越而被广泛应用于电子、机械、汽车制造等工业生产中,由此产生了大量镀镍废水。镀镍废水具有很大危害性,排放标准也越来越严格,而现有的众多镀镍废水处理方法也各有缺点,急需采用一种高效低廉的方式对镀镍废水进行处理。本研究以市政污泥为原料,通过热解法在终温为300-800℃(每隔100℃设定一个实验工况)条件下分别制备出了6种原生污泥生物炭及6种经ZnCl2活化的污泥生物炭,分别记为SBC、A-SBC,各个具体温度下制得的生物炭分别记为SBC-XXX、A-SBC-XXX(xxx表示具体温度);计算不同温度下制得的生物炭产率;测定SBC及A-SBC的碘值及亚甲基蓝值,以表征其基本吸附性能;并借助扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(FTIR)以及N2吸附-脱附等方法对其表面形貌、表面基团及比表面积等进行了表征;最后探究了SBC及A-SBC对溶液中Ni2+离子的吸附性能,分别以溶液初始pH、生物炭投加量及初始Ni2+离子浓度为变量因子,探讨SBC及A-SBC吸附Ni2+离子的最佳条件。所取得的主要研究成果如下:(1)通过SBC、A-SBC的热解制备实验,在300℃800℃条件下热解制得的SBC及A-SBC产率分别在45%70%、35%90%之间,均高于一般农林废弃物的生物炭产率(25%35%)。SBC及A-SBC的生物炭产率均呈现出随着温度的逐渐升高而下降的趋势,SBC的生物炭产率在300℃400℃下降最快,主要是由于水分的析出及污泥中的大量质量纤维素在此温度段作为挥发性化合物热解挥发,最终维持在50%左右。A-SBC的产率在500℃600℃下降最快,主要是由于ZnCl2的化学催化作用使得炭体结构发生脱羟基和脱水,促进了污泥中更多化合物挥发,600℃之后下降变缓。在300℃580℃之间,A-SBC的产率远远高于SBC,在580℃之后A-SBC的产率低于SBC。(2)SBC、A-SBC的碘值、亚甲基蓝值随热解温度的变化都是先升高后降低的趋势,SBC的碘值在400℃取得最大值1002.51mg/g,亚甲基蓝值在700℃取得最大值17.62mg/g,A-SBC的碘值在500℃取得最大值1111.644mg/g,亚甲基蓝值在400℃取得最大值20.09mg/g。热解温度过低,热解不充分,孔隙不发达,温度过高,污泥中会发生烧结,破坏孔隙结构。ZnCl2在400℃及更高的温度下进行造孔活化作用,SBC和A-SBC的碘值相比,500℃温度下相差最大,A-SBC比SBC增大了48%,其他温度下相差不大,说明ZnCl2在500℃下活化效果最好。(3)通过SBC、A-SBC对Ni2+的吸附实验,结合表征分析,并综合比较得出,SBC及A-SBC对Ni2+均具有良好的吸附性能,尤其是经ZnCl2活化的A-SBC。A-SBC孔隙结构发达,羟基(-OH)、羧基(C=O)官能团含量更加丰富,吸附性能有极大提升,饱和吸附容量从28.33mg/g(SBC)提升到62.57mg/g(A-SBC)。在六种SBC中SBC-700吸附性能最佳,吸附Ni2+的最佳条件为溶液初始pH为8,生物炭投加量为75mg(浓度为2.5g/L),对Ni2+去除率达到86.8%,和商业活性炭(椰壳)在此条件下对溶液中Ni2+的去除率(86.05%)相差不大。而六种A-SBC中A-SBC-500吸附性能最佳,吸附Ni2+的最佳条件为溶液初始pH为7,生物炭投加量为75mg(浓度为2.5g/L),对溶液中Ni2+的去除率达96.5%,优于商业活性炭(椰壳)在此条件下的去除率77.11%。
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