低温氨水改性污泥炭处理废水的应用范文

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［摘要］以市政污泥为原料制备污泥活性炭（SAC），并利用氨水对其进行改性，考察低温条件下，氨水质量分数和改性时间对SAC吸附性能的影响。结果表明，在氨水质量分数为15%，改性时间为8h的最佳条件下，改性SAC（MSAC）的碘吸附值达到386.5mg/g。氨水改性使SAC的比表面积和总孔容分别提高了78.3%和97.5%，同时降低了SAC表面的羧基、酚羟基等酸性含氧官能团。此外，将MSAC应用于处理焦化废水，结果表明，投加量为60g/L，pH为8，吸附时间为80min时，挥发酚和氰化物的去除率分别为66.2%和76.7%。

［关键词］污泥活性炭；低温氨水改性；焦化废水；脱酚除氰

随着钢铁、纺织、石油化工等工业的飞速发展，大量挥发酚和氰化物被排放到环境中〔1〕。酚和氰不仅会产生恶臭，而且具有毒性、致癌和致突变性〔2〕。因此，有必要在污水排放前去除酚、氰等污染物。目前，生物降解、电化学氧化法、膜分离、吸附等处理技术已被广泛应用于污水处理中。其中，活性炭吸附能够简单、高效地吸附废水中的酚、氰等污染物〔3〕。然而，商业活性炭由于价格昂贵且不可再生，限制了其在废水处理中的应用。近年来，秸秆、果壳、废料等廉价生物质成为了制备活性炭的重要原料〔3-4〕。污泥是污水处理过程中不可避免的副产物，因其含有大量的碳源，成为了制备活性炭的重要原材料之一〔5-7〕。但是，污泥活性炭（SAC）的比表面积较低、吸附性能不高〔6〕。表面氨改性能够有效改变活性炭的表面化学性质和纹理结构，进而提高其对苯酚等污染物的吸附效率〔8〕。但在高温条件下，氨水容易挥发，影响其对活性炭的改性效果〔9〕。因此，笔者重点研究低温氨水改性SAC（MSAC）对焦化废水中挥发酚和氰化物的吸附效能，并采用扫描电镜（SEM）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）、比表面积分析仪等分析MSAC的理化性质，揭示其对挥发酚和氰化物的吸附机理。

1材料和方法

1.1试验材料

试验采用的脱水污泥取自唐山市某污水处理厂，其含水率为79.7%，灰分为45.7%。焦化废水取自首钢京唐公司的焦化厂。

1.2SAC和MSAC的制备和改性

将脱水污泥在105℃烘箱中烘干至恒重后，破碎过0.15mm（100目）筛。然后按照文献〔9〕中的方法制备SAC。并在15℃下，用氨水对SAC进行改性，具体步骤：分别将20g的SAC置于250mL氨水（质量分数为5%~30%）中浸渍0~15h，改性温度由恒温振荡器控制，震荡频率为150r/min，制备MSAC。所得MSAC经去离子水洗涤至中性后，105℃烘干备用。

1.3SAC和MSAC的吸附试验

在室温条件下，分别将2~20g的SAC、MSAC分别投加到200mL焦化废水中，吸附0~140min，取样、过滤，检测滤液中的挥发酚和氰化物浓度。同样地，用1mol/L的HCl或NaOH调节废水pH为4~10，考察pH对活性炭吸附效果的影响。

1.4分析方法

挥发酚浓度和氰化物浓度分别采用4-氨基安替比林和吡啶-巴比妥酸光度法进行测定〔10〕。碘吸附值按GB/T12496.8—1999《木质活性炭实验方法-碘吸附值的测定》进行检测。活性炭的孔隙和表面结构采用ASAP2020比表面积分析仪（美国麦克仪器公司）进行测定；采用FTIR（IR-360型红外光谱仪，美国尼高力仪器公司）分析表面的官能团；SAC和MSAC的表面形态采用SEM（QUANTA200型扫描电子显微镜，美国FEI公司）进行分析。

2结果和讨论

2.1改性条件对活性炭吸附性能的影响

SAC的碘吸附值随改性时间和氨水质量分数的增长均呈现先升高后降低的变化趋势，最佳碘吸附值为386.5mg/g，此时改性条件：氨水质量分数为15%，改性时间为8h。碘吸附值的升高主要是因为氨水改变了SAC的孔形态和表面的官能团〔11〕。据文献〔11〕报道，含氮官能团能够降低活性炭表面的羧基含量，进而提高其对污染物的吸附效果。而氨水的挥发性随氨水浓度和改性时间的增加而加剧，可能是导致碘吸附值降低的主要原因。

2.2SAC和MSAC的物理化学性质

2.2.1比表面积和孔径分布规律

考察SAC和MSAC（氨水质量分数为15%、改性时间为8h）的吸附-脱附等温线和孔径分布发现，在相对压力（P/P0）=1.0时，MSAC的吸附值为220m3/g（STP），比SAC提高了1.83倍。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）分类，SAC和MSAC的吸附等温线属于Ⅱ型〔12〕，这说明SAC和MSAC具有丰富的介孔结构〔12〕。SAC和MSAC的孔径为1~40nm，其中孔径为1~10nm所占的比例相对较高，这与先前的一些研究结果一致〔11〕。MSAC的比表面积（SBET）和总孔容（Vtotal）比SAC分别提高了78.34%和97.51%，相应的平均孔径从3.6732nm增加至4.0680nm，这主要是因为氨水与SAC中的一些含氧官能团或灰分发生反应，而后的酸和去离子水冲洗使孔径得以扩增，更有利于污染物的吸附。

2.2.2活性炭的形态分析

氨改性明显地改变了SAC表面的形态。SAC表面主要由不规则的片状和块状颗粒构成，表面不光滑，孔径变化相对较大。MSAC表面的颗粒更小，表面的孔隙更加发达，孔径更加均匀。

2.2.3FTIR分析

众所周知，活性炭的吸附性能与其表面的羧基、羟基、酚羟基和内酯基等官能团有重要关系〔12〕。SAC和MSAC的FTIR，3500~3200cm-1代表酚羟基中的O—H伸缩振动〔3〕，1731cm-1代表羧基和酯基中的C=O振动〔5〕，769~659cm-1主要是O—H面外弯曲振动，MSAC谱线上的吸收峰均明显降低。3000~2850cm-1的吸收峰代表C—H伸缩振动，1600~1450cm-1代表C=C骨架振动，1300~1000cm-1，代表C—O伸缩振动，MSAC和SAC图谱上的相关吸收峰未发生明显变化〔7〕。总之，SAC和MSAC主要由C、H、O、N元素组成，经氨改性后，MSAC表面的酸性含氧官能团有所降低。

2.3SAC和MSAC对焦化废水的处理效果

2.3.1投加量对吸附效果的影响

当吸附时间为80min，pH为7.8时，SAC和MSAC投加量对挥发酚和氰化物吸附效果的影响。挥发酚和氰化物的去除率随SAC投加量的增加逐渐升高，最大去除率分别为41.7%和49.3%。而对于MSAC来说，挥发酚和氰化物的去除率随投加量的增加先快速升高而后维持相对稳定，吸附平衡出现在MSAC投加量为60g/L时，此时挥发酚和氰化物的去除率约为SAC的1.64倍和1.58倍。这是因为对挥发酚、氰化物的吸附效率主要取决于活性炭的表面积和活性基团，经过氨水改性后，MSAC的SBET和Vtotal均得到了显著提高，相应的酸性含氧官能团含量降低，有利于挥发酚和氰化物的去除。与先前研究相比〔4〕，笔者研究中的MSAC投加量相对较高，这可能与两个因素有关：一是制备活性炭的材料和方法不同；二是焦化废水中含有氨氮等其他可被活性炭吸附的污染物质。

2.3.2废水pH对吸附效果的影响

当吸附时间为80min，SAC和MSAC投加量分别为60g/L时，废水pH对挥发酚和氰化物吸附效果的影响见图由图5可知，SAC和MSAC作为吸附剂时，挥发酚和氰化物的去除率随pH的变化规律相似。以MSAC为例，当pH从4升高到8时，氰化物的去除率从30.2%快速升高到78.04%，而当pH继续升高至10时，氰化物的去除率相对稳定。同时，挥发酚的去除率随pH的升高先升高后降低，最大去除率（66.2%）出现在pH为8时。综合考虑对挥发酚和氰化物的吸附效果，最佳pH为8，此时SAC对挥发酚和氰化物的去除率约为MSAC的一半。

2.3.3吸附时间对吸附效果的影响

SAC和MSAC的投加量分别为60g/L，pH为8时，吸附时间对挥发酚和氰化物吸附效果的影响。从MSAC的吸附曲线来看，氰化物的去除率随吸附时间的延长先快速升高而后趋于稳定，而挥发酚的去除率则随着吸附时间的延长呈现先增加后减小的趋势。反应80min时，挥发酚和氰化物的吸附达到平衡，此时挥发酚和氰化物的去除率分别为66.2%和76.7%。这是因为在吸附初期，MSAC表面存在大量的活性基团，且MSAC表面与废水之间的浓度梯度较大，对酚和氰的吸附较快。随着大量的酚氰被吸附到MSAC表面，活性基团逐渐减少，吸附达到平衡。对SAC来说，挥发酚和氰化物的去除率随吸附时间的变化规律与MSAC类似，只是达到吸附平衡的时间（100min）略有延长，此时挥发酚和总氰的去除率仅为35.6%和42.2%。

3结论

（1）改性条件对SAC的吸附性能产生很大影响，最佳改性条件：氨水质量分数为15%，改性时间为8h，温度为15℃，相应的碘吸附值为386.5mg/g。

（2）MSAC对焦化废水中的挥发酚和氰化物的去除率分别达到66.2%和76.7%，远高于SAC。

（3）氨水改性使SAC的孔隙更加发达，孔径以中孔为主，同时改变了SAC的表面官能团构成，更有利于酚和氰的吸附和扩散。

作者:刘亚利 李欣 荆肇乾 张卫东 王祝来 单位:南京林业大学土木学院