活化市政污泥生物质炭的制备及其对水中亚甲基蓝的去除

曾军，田宇萱，余贵杰，王九玲，张文博

(西北民族大学化工学院，甘肃 兰州 730030)

0 引言

随着我国城镇化速度的加快，市政污水处理厂规模和数量不断增加，市政污泥量也在逐年呈规模增长，这就使得污泥处置迫在眉睫，亟需科学、高效处理污泥技术。国内外现有污泥处置技术包括土地利用、焚烧及填埋等，但是土地利用目前存在重金属超标、有机污染物处理不当产生二次污染、微生物污染等问题，焚烧会产生大量有机尾气、能耗过高，简单填埋面临土地短缺及污染物二次迁移等问题。

研究表明，市政污泥(WS)中含有大量有机物及微生物，将其进行高温碳化制备得到生物质炭[1]，不仅可以碳化固定有机物及微生物，还可以实现污泥资源再利用，是目前国内外研究的热点[2]。但是，简单焖烧制备的生物质炭由于污泥中有机物含量不高、活化不充分等，致使制备的生物质炭吸附能力较低，这大大限制了其应用领域[3]。因此，文章采用固体氢氧化钾对制备的市政污泥生物质炭(MSB)进行活化，研究其活化前后的结构，并考察了活化后生物质炭(AMSB)对亚甲基蓝(MB)的吸附性能。

1 材料与方法

1.1 原料与仪器

市政污泥，取自兰州市某污水处理厂，自然干燥粉碎后备用；氢氧化钾、盐酸、亚甲基蓝等试剂均为分析纯；实验用水为去离子水。

恒温水浴振荡器，电子天平，紫外可见分光光度计(SHIMADZU, UV-1280，日本)。

1.2 材料制备

将市政污泥置于刚玉坩埚中，压实后盖严置于马弗炉350 ℃焖烧1 h，去离子水清洗干燥后，称取碳化后的市政污泥样品3 g，称取氢氧化钾固体1.5 g，在研钵中充分混合研磨后，置于氮气马弗炉800 ℃活化2 h，升温速率10 ℃/min，自然冷却至室温后，稀盐酸中和，去离子水洗涤至中性后，干燥备用。

1.3 材料表征

利用傅里叶红外光谱仪(FTIR，Thermo，美国)和X 射线衍射仪(XRD，PANalytical，荷兰)对制备的样品进行表征。

1.4 实验方法

动力学实验，分别在298 K、308 K 和318 K 下，在50 mL三角瓶中添加50 mg 样品，并投加25 mL200 mg/L MB 溶液。分别于5、10、15、30、60、120、180、240 和360 min 时取出，离心分离后，利用分光光度计在664 nm 下测得上清液中MB 浓度。利用伪一级和伪二级动力学方程中进行拟合，其公式如下：

式中：qt为不同时间的吸附量(mg/g)；qe为该浓度下方程确定的最大吸附量(mg/g)；k1和k2为伪一级和伪二级方程的速率常数。

等温线实验，分别在298 K、308 K 和318 K 下，在50 mL三角瓶中添加50 mg 样品，分别加入25 mL 的不同浓度(50、100、150、200、250、300 和350 mg/L) 的MB 溶 液，吸附240 min 后测定其浓度。将浓度分别带入Langmuir 和Freundlich 模型中，其公式如下：

式中：qe为吸附量(mg/g)；qm为饱和吸附量(mg/g)；Ce为MB 剩余浓度(mg/L)；KL(L/g)是Langmuir 常数；KF(mg/g(L/mg)1/n)和n 是Freundlich 常数。

2 结果与讨论

2.1 材料红外和XRD 表征

图1 材料的红外谱图和XRD谱图

从图1 红外谱图可以看出，MS 经过碳化后，其3400 cm-1附近处-OH 的伸缩振动峰明显减弱，经过活化后，其2922 cm-1处的-C-H 峰1543 cm-1处C=O 峰消失，这说明市政污泥经过碳化、活化后，已经成功被碳化。从XRD 谱图可以看出，经过活化后，其26.6°处石英相的特征峰几乎消失，这可能是由于高温下二氧化硅与氢氧化钾反应所致。

2.2 吸附动力学

图2 AMSB对MB的吸附动力学拟合模型图

表1 AMSB对MB的吸附动力学拟合参数表

由图2 可以看出，吸附过程大致可以分为两个阶段，开始的15 min 内，大约80%以上的MB 已经被吸附，然后进入缓慢吸附阶段直至吸附平衡。随着温度的升高，平衡吸附量均有所增加，这说明吸附过程是吸热的过程。

由表1 可以看出，吸附过程中伪二级方程拟合优于伪一级，这是由于其R2更大，其平衡吸附量qe和实验数据较为接近，伪二级方程的k2值随着温度的变化而变化，这说明直接影响吸附速率。

2.3 吸附等温线

图3 AMSB对MB的吸附等温线拟合模型图

表2 AMSB对MB的吸附等温线拟合参数表

AMSB 对MB 的吸附等温线拟合模型图如图3 所示，由表2 可以看出，吸附过程更适合Langmuir 模型，这是由于其R2值高于Freundlich 模型，这说明其对MB 为单层吸附，并且其表面更为均一，同时其对MB 在298K 时的最大吸附量可达132.66 mg/g，这远远高于未经活化的市政污泥生物质炭的吸附量，说明其对MB 具有优异的吸附性能。

3 结语

市政污泥经过焖烧、活化后，其对水体中的亚甲基蓝吸附量在298 K 时最大可达132.66 mg/g，这远远高于未经活化的市政污泥生物质炭的吸附量，且吸附过程符合伪二级动力学方程，吸附模型更适合Langmuir 模型，这种活化方法有望实现市政污泥的资源化利用。