木薯污泥活性炭的制备及对六价铬的吸附研究

发布时间：2020-08-13 14:33

【摘要】：随着我国污水处理厂数量的增加和污水排放标准的日趋严格,水处理过程中产生的污泥也越来越多,因此,污泥的资源化利用成为了社会关注的焦点。污泥中含有丰富的有机质,可以作为原材料制备出吸附性能优异的活性炭,不仅为污泥的处理处置提供了新出路,同时也减轻了传统活性炭制备行业对不可再生能源的依赖,符合可持续发展的要求,兼具环境效益和经济效益。本研究以木薯污泥为原材料,选择氯化锌作为活化剂,根据化学活化法制备得到木薯污泥活性炭。通过设计正交试验确定木薯污泥活性炭的最佳制备工艺参数,并借助多种表征手段分析最优条件下制备的木薯污泥活性炭的理化性质。以污泥活性炭为吸附剂,Cr(Ⅵ)为吸附质,从单因素影响、响应曲面实验、吸附动力学、吸附平衡、热力学计算以及活性炭再生试验等方面,系统全面的研究了污泥活性炭吸附去除水中Cr(Ⅵ)的特性与机理。通过木薯污泥活性炭与其他活性炭的对比分析和成本计算初步探讨其产业化前景。正交试验结果表明,木薯污泥活性炭的最优制备工艺条件为:污泥粒度20-50目、氯化锌浓度20%、活化时间12h、碳化温度500℃、碳化时间60min,制得木薯污泥活性炭的碘值为577.10mg/g。极差分析表明各因素对制备的影响程度顺序为:污泥粒度碳化温度氯化锌浓度活化时间碳化时间。表征分析结果表明木薯污泥活性炭孔隙结构发达,孔径类似平行壁的狭缝状,比表面积509.03 m~2/g,平均孔径29.5?,属于中孔活性炭;FT-IR光谱分析发现木薯污泥活性炭的表面主要含有羧基、羟基、内酯基等官能团;Boehm滴定和Zeta电位表明木薯污泥活性炭表面呈酸性,零电荷点pHzpc为4.8;物相分析表明木薯污泥活性炭属于无定型碳。木薯污泥活性炭浸出液检测中,7种易引发二次污染的重金属含量均低于国家标准限定的允许值。木薯污泥活性炭对水中Cr(Ⅵ)的吸附实验结果表明,初始Cr(Ⅵ)浓度、溶液pH值、活性炭用量、溶液温度、吸附时间均对水中Cr(Ⅵ)的去除有着不同程度的影响,其中温度的影响程度较小。响应曲面试验结果表明,Cr(Ⅵ)去除的最优工艺参数为:Cr(Ⅵ)浓度为4.02mg/L,活性炭用量为1.47g/L,吸附时间为42.34min,溶液p H为4.44,此时木薯污泥活性炭对Cr(Ⅵ)的预测去除率为98.64%。影响程度分析结果表明各因素对Cr(Ⅵ)去除影响程度顺序为:pH活性炭用量初始Cr(Ⅵ)浓度吸附时间。可靠性分析结果表明,Cr(Ⅵ)浓度与活性炭用量、吸附时间与活性炭用量之间存在的交互性,对Cr(Ⅵ)的吸附去除有显著影响。Elovich模型能很好地描述不同初始浓度和温度条件下木薯污泥活性炭对Cr(Ⅵ)的吸附动力学过程,液膜扩散是限制Cr(Ⅵ)吸附反应速率的主要步骤,通过计算活化能表明了木薯污泥活性炭对Cr(Ⅵ)的吸附过程以物理吸附为主。Freundlich模型可以较好地描述不同温度下木薯污泥活性炭对Cr(Ⅵ)的吸附平衡规律,吸附势随着初始Cr(Ⅵ)浓度增加而减小。通过吸附热力学参数的计算发现木薯污泥活性炭对Cr(Ⅵ)的吸附去除过程是热力学自发的吸热反应,升高温度有助于反应的进行。吸附机理分析结果表明,Cr(Ⅵ)在木薯污泥活性炭上的吸附主要为物理吸附、静电引力和离子交换反应。木薯污泥活性炭的再生实验结果表明,HCl再生液浓度为0.5mol/L时,对于吸附后的木薯污泥活性炭具有很好的再生效果,污泥活性炭可以重复利用,但重复使用次数有所限制,再生8次之后,对Cr(Ⅵ)的去除率由81.52%降到53.63%。与其他活性炭相比,木薯污泥活性炭吸附容量较高,在Cr(Ⅵ)浓度为10mg/L,pH=2的条件下,对Cr(Ⅵ)的最大吸附量达到9.84mg/g。成本计算表明以生产一吨为例,木薯污泥活性炭初步生产成本约为2380元/吨。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：

图 3.3 最佳工艺下制备的木薯污泥活性炭木薯污泥活性炭的表征1 成分及元素分析不同粒径的木薯污泥及最佳条件下制备的木薯污泥活性炭的成分和元素表 3.2 所示。表 3.2 污泥与活性炭的成分及元素分析方法 内容（%） 污泥20-50污泥50-100污泥100-200污泥200污泥活分析水分 7.4 5.83 7.9 8.85 2.3灰分 29.36 39.18 42.15 38.78 42.5挥发质 51.57 46.11 39.20 43.76 20.2固定碳 11.67 8.88 10.75 8.61 35C 34.54 30.22 27.3 25.99 43.4

图 3.6 木薯污泥的扫描电镜图图 3.7 木薯污泥活性炭的扫描电镜图从图中可以看出，通过 ZnCl2活化法将木薯污泥制备成污泥活性炭后，其表面形态发生了巨大变化。图 3.6 中的木薯污泥结构紧实，高倍镜下污泥表面各有

图 3.7 木薯污泥活性炭的扫描电镜图从图中可以看出，通过 ZnCl2活化法将木薯污泥制备成污泥活性炭后，其表面形态发生了巨大变化。图 3.6 中的木薯污泥结构紧实，高倍镜下污泥表面各有光滑和粗糙的部分，且分布不均，颗粒物分散在表面，基本上没有孔隙结构的存在。从图 3.7 中可以看出，与木薯污泥相比，污泥活性炭结构显得质地疏松，碳表面布满丰富的不规则多孔结构，孔隙的尺寸和形状各不相同，少量颗粒物沉积在碳骨架表面，可能是未洗脱的 ZnCl2和挥发不完全的残留产物。3.4.4 傅里叶红外光谱分析污泥活性炭的吸附性能不仅取决于污泥的种类，其表面官能团通过影响活性炭的酸碱性和吸附选择性，对于目标污染物的去除发挥着重要的作用。通过傅里叶红外光谱测定木薯污泥和木薯污泥活性炭的表面官能团，如图 3.8 所示。木薯

【参考文献】

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本文编号：2792128