污泥活性炭的制备及其对染料的吸附性能的研究

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本论文以城市污水处理厂脱水污泥作为原料,采用化学活化法(ZnCl2作为活化剂)制备出污泥活性炭,对制备工艺条件和机理进行了研究,在对污泥活性炭进行表征的基础上,研究了其对活性艳红K-2BP、酸性大红GR和直接紫N这三种不同性质染料的吸附动力学和吸附热力学特性,并考察了其对实际染料废水的处理效果。通过单因素试验和正交试验,以碘吸附值为衡量标准,筛选出制备污泥活性炭的最佳工艺条件为:活化温度550℃、活化剂浓度25%、活化时间15min、固液比1:2,此时污泥活性炭的碘吸附值为326mg·g-1,比表面积为289m2·g-1,产率为51.31%。孔结构分析表明,与以微孔为主的商品活性炭相比,污泥活性炭属于中孔性,具有更加开放的孔隙结构,更适合于吸附染料这样的大分子污染物。红外光谱分析和热重分析表明,在污泥活性炭制备过程中,污泥中的绝大部分有机组分和挥发性无机组分均分解挥发,活化剂ZnCl2的作用是脱水缩合,使原料中的H和O以水的形式分离出来,使更多的C键合并保留在原料中。浸出实验表明,污泥活性炭浸出液中几种主要重金属的浓度不超标,将其用于水处理是安全和可行的,但不建议用于饮用水的处理。污泥活性炭对三种染料的静态吸附实验表明,其对三种染料均具有很好的吸附能力,吸附性能的优劣顺序为:酸性大红GR>活性艳红K-2BP>直接紫N。伪二级动力学模型均能很好地描述三种染料存污泥活性炭上的吸附动力学行为,对于活性艳红K-2BP和直接紫N,颗粒内扩散过程是吸附速率的控制步骤,但不是唯一的控制步骤,而对于酸性大红GR,颗粒内扩散过程不是吸附速率的控制步骤。Langmuir等温方程和Freundlich等温方程均适宜描述三种染料在污泥活性炭上的吸附行为。污泥活性炭对三种染料的吸附活化能较小,主要为一物理吸附过程,均为优惠吸附,均是吸热过程(吸附焓△H>0),提高温度有利于吸附的进行,吸附过程自发进行(吸附自由能△G<0),伴随着吸附熵的增加(△S>0)。实际染料废水处理效果实验表明,污泥活性炭对于实际染料废水具有很好的脱色性能。以上结果表明,城市污水处理厂污泥可以制备出吸附性能良好的污泥活性炭,污泥活性炭可以作为一种高效、安全、经济和可行的商品活性炭替代品用于染料等大分子污染物废水的处理,从而实现了污泥的减量化,无害化和资源化。
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