【摘 要】
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近年来,随着城市化进程的快速推进,我国市政污泥产量将不断增加。日益增多的市政污泥若不进行有效的处理处置,其可能存在的环境风险将日益增加。研究以实现污泥有效处置及资源化利用为目标,采用浸渍法制备焦磷酸钠改性污泥生物炭(SP-SBC),并将其应用于含铜废水中的铜吸附。实验首先筛选SP-SBC的最佳改性条件,其次测定与分析该条件下制得的SP-SBC和原始污泥生物炭(SBC)的理化性质,并通过SP-SBC
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近年来,随着城市化进程的快速推进,我国市政污泥产量将不断增加。日益增多的市政污泥若不进行有效的处理处置,其可能存在的环境风险将日益增加。研究以实现污泥有效处置及资源化利用为目标,采用浸渍法制备焦磷酸钠改性污泥生物炭(SP-SBC),并将其应用于含铜废水中的铜吸附。实验首先筛选SP-SBC的最佳改性条件,其次测定与分析该条件下制得的SP-SBC和原始污泥生物炭(SBC)的理化性质,并通过SP-SBC对Cu(Ⅱ)的静态吸附实验,探讨SP-SBC对Cu(Ⅱ)的吸附行为与机制,最后研究了固定床中SP-SBC对Cu(Ⅱ)的动态吸附特性。研究获得的主要结论如下:SP-SBC的最佳改性条件为:焦磷酸钠浓度60 g/L,改性时间12 h,固液比1:20,改性温度25 ℃。与SBC相比,SP-SBC具有更高的产率、灰分含量、pH值、Na和P含量,而具有较低的K、Ca和Mg含量;SEM结果显示SP-SBC的表面更加粗糙;通过FT-IR,发现SP-SBC的表面官能团种类未改变,但各峰强度均减弱;XRD分析表明SP-SBC中引入了焦磷酸根。对比实验结果表明,SP-SBC对Cu(Ⅱ)的吸附能力为SBC的4.55倍,说明焦磷酸钠改性有利于增强Cu(Ⅱ)的吸附。尽管,SP-SBC中含有一定量的重金属(Fe、Zn、Mn、Pb、Cu、Cr、Ni、Co、Cd等),但这些重金属的浸出浓度均低于国家标准限值。该结果表明SP-SBC是一种安全的吸附材料。在SP-SBC对Cu(Ⅱ)的静态吸附实验中,SP-SBC用量、初始pH值、吸附时间、吸附温度、离子强度均会影响SP-SBC对Cu(Ⅱ)的吸附。研究表明,适宜的SP-SBC用量为2 g/L,初始pH值为5.0,平衡时间为12 h。SP-SBC对Cu(Ⅱ)的吸附能力随吸附温度的升高而增大,而随离子强度的增加而减小。准二级动力学模型较好地描述了SP-SBC对Cu(Ⅱ)的吸附过程,该结果表明该吸附的限速步骤为化学吸附。Freundlich模型能够较好地拟合吸附热力学数据,该结果显示SP-SBC对Cu(Ⅱ)的吸附过程为多分子层吸附。热力学参数△G°<0、△H°和△S°均为正值,表明SP-SBC对Cu(Ⅱ)的吸附过程是自发和吸热的过程。吸附Cu(Ⅱ)前后SP-SBC的FT-IR分析结果表明,含氧官能团不参与Cu(Ⅱ)的吸附过程。Cu(Ⅱ)的吸附机理包括离子交换、静电吸附和沉淀作用。在动态吸附实验中,SP-SBC对Cu(Ⅱ)的吸附过程受床层高度、进水流速、进水Cu(Ⅱ)浓度和进水pH值影响。增加床层高度和进水pH值有利于延长穿透时间和饱和时间,而增大进水流速和进水Cu(Ⅱ)浓度使穿透时间和饱和时间缩短。Thomas模型和BDST模型均能较好地拟合固定床中SP-SBC对Cu(Ⅱ)的动态吸附过程。模型拟合参数可为SP-SBC处理Cu(Ⅱ)废水的工业化应用提供吸附速率和最大吸附量参数。采用NaOH作为解吸剂,经过3轮解吸后,平衡吸附能力为初始吸附能力的32.76%,该结果表明NaOH能够用于吸附柱的解吸再生。总体研究结果表明经过改性制备获得的SP-SBC可用于含铜废水中的Cu(Ⅱ)吸附。研究为污泥在水体重金属污染控制方面的资源化利用提供了一种高效的新途径。
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