趙宇俠,祝春水

(淮海工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院,江蘇 連云港 222005)

工業(yè)廢水和污染水體中重金屬去除是保持環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。目前,廢水中重金屬的去除多采用化學(xué)方法[1]。由于生物吸附劑高效、價(jià)廉和易獲取,生物吸附技術(shù)成為一種新穎的處理重金屬?gòu)U水的方法[2]。近年來(lái),生物質(zhì)炭的研制和開(kāi)發(fā)利用受到了極大的關(guān)注。生物質(zhì)炭具有多孔和較大的比表面積,同時(shí)其表面具有羰基、羧基等豐富的官能團(tuán)[3],與一些炭質(zhì)吸附劑性質(zhì)相似。

有研究表明生物質(zhì)炭對(duì)重金屬離子和有機(jī)污染物等有良好的去除效果,可以作為表面吸附劑治理環(huán)境污染[4]。張文標(biāo)等[4]研究不同炭化溫度的竹炭對(duì)重金屬離子的吸附性能,結(jié)果表明,與單一離子相比,竹炭在混合重金屬離子溶液中對(duì)Pb2+,Hg2+和Cr6+吸附率增加,而對(duì)Cd2+的吸附率卻減小。人居生活生物質(zhì)廢棄物(household biowaste)產(chǎn)量與日俱增,而對(duì)廢棄物的處置大多采用填埋和焚燒的方法,造成了嚴(yán)重的二次污染[5]。因此,本試驗(yàn)研究人居廢棄物生物質(zhì)炭對(duì)水溶液中Cd2+的吸附影響因素,探討其作為吸附劑處理廢水的技術(shù)可行性,為其資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

人居生活廢棄物生物質(zhì)炭樣品取自上海中科岸達(dá)節(jié)能產(chǎn)品科技有限公司,其基本的理化性質(zhì)如表1所示。

pH采用土壤活性酸方法[6]測(cè)定,Bulk density采用環(huán)刀法[6]測(cè)定,比表面積采用BET[7]法測(cè)定,表面官能團(tuán)采用Boehm提出的聯(lián)堿中和法[8]測(cè)定。試驗(yàn)所用生物質(zhì)炭在75 ℃溫度下烘干，分別過(guò)<2 mm、<1 mm、<0.25 mm和<0.15 mm篩,裝瓶備用。除了特殊說(shuō)明,本試驗(yàn)采用粒徑<0.15 mm的生物質(zhì)炭作為吸附劑。

表1 供試生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)

1.2 吸附試驗(yàn)

在50 mL離心管中加入25 mL Cd2+溶液,加入一定量的供試生物質(zhì)炭,在恒溫(25 ℃)搖床上振蕩(轉(zhuǎn)速180 r/min)一定時(shí)間后過(guò)濾,取濾液進(jìn)行Cd2+測(cè)定分析,所有反應(yīng)均設(shè)置3個(gè)平行試驗(yàn)。

1.3 溶液pH對(duì)吸附的影響

Cd2+初始質(zhì)量濃度為50 mg·L-1,用HNO3和NaOH調(diào)節(jié)Cd2+溶液的pH為3.5,4,5,6,7,7.5,8,反應(yīng)溫度為25 ℃,吸附4 h后取樣分析,并且測(cè)定吸附前后的pH。

1.4 吸附劑粒徑對(duì)吸附的影響

Cd2+初始質(zhì)量濃度為50 mg·L-1,分別稱粒徑<2 mm、<1 mm、<0.25 mm和<0.15 mm的生物質(zhì)炭0.1 g于25 mL溶液中,25 ℃溫度下反應(yīng)4 h后取樣分析。

1.5 分析方法

溶液中Cd2+的測(cè)定采用石墨爐原子吸收分光光度計(jì)(TAS-986);溶液pH的測(cè)定采用pH計(jì)(Mettler Toledo Seveneasy precision pH meter, Switzerland)。

1.6 吸附量和溶液中Cd2+去除率的計(jì)算

生物質(zhì)炭對(duì)Cd2+吸附量q(mg·g-1)用下式進(jìn)行計(jì)算:

式中,C0為Cd2+的初始質(zhì)量濃度(mg·L-1),Ce為吸附平衡時(shí)溶液Cd2+的質(zhì)量濃度(mg·L-1),V為反應(yīng)溶液體積(L),w為生物質(zhì)炭質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶液pH對(duì)吸附量的影響

圖1是不同pH下生物質(zhì)炭吸附Cd2+的情況。從圖1中可以看出,隨著pH的增大,其Cd2+吸附量基本不發(fā)生變化。原因是雖初始pH不同,但當(dāng)加入同量生物質(zhì)炭后,溶液pH發(fā)生改變,Cd2+發(fā)生吸附反應(yīng)時(shí)pH十分接近。從圖2中還可以看出溶液初始pH越低,加入生物質(zhì)炭后pH變化幅度越大,變化范圍為0.32～3.28個(gè)單位,最大提高了原始pH的89%。Cui等[9]在施用生物質(zhì)炭降低水稻對(duì)Cd吸收研究中,指出施用生物質(zhì)炭可以顯著提高酸性土壤的pH,增加土壤Cd2+吸附固定,從而降低水稻對(duì)Cd的吸收。

圖1 pH對(duì)Cd2+吸附的影響

Mohammad等[1]在水稻殼去除和修復(fù)廢水中Cd(Ⅱ)的應(yīng)用研究中,發(fā)現(xiàn)溶液pH在2～12之間時(shí),Cd2+的去除率一直在增加,并且稻殼吸附Cd2+比例大于沉淀的比例。Wanna等[10]用榴蓮皮吸附水溶液中Cd2+,pH為5時(shí)吸附量最大,pH超過(guò)6時(shí)吸附量減小。本試驗(yàn)結(jié)果表明,pH在4～7.5之間時(shí)Cd2+吸附量并無(wú)差異。不同研究結(jié)果表明,pH對(duì)Cd2+吸附的影響不一致,pH影響吸附的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

圖2 添加生物質(zhì)炭對(duì)溶液pH的影響

2.2 生物質(zhì)炭粒徑對(duì)Cd2+吸附的影響

從圖3可以看出,生物質(zhì)炭粒徑越小,吸附能力越大。粒徑小于1 mm篩的與小于2 mm篩的吸附量沒(méi)有差異,吸附量是2.5 mg·g-1；小于0.25 mm篩的吸附量是3.87 mg·g-1,后者與小于0.15 mm篩的吸附量也沒(méi)有顯著差異。因此,用作吸附劑時(shí),生物質(zhì)炭破碎和過(guò)篩的粒徑以0.25 mm為宜。

圖3 生物質(zhì)炭粒徑對(duì)Cd2+吸附的影響(p<0.05)

因此,對(duì)于去除水溶液中Cd2+來(lái)說(shuō),采用此種生物質(zhì)炭,控制溶液Cd2+質(zhì)量濃度30 mg·L-1,粒徑0.25 mm, 投料比8 g·L-1,反應(yīng)溫度25 ℃,反應(yīng)時(shí)間1～2 h, 可以達(dá)到去除廢棄水中Cd2+80%的效果。由此可見(jiàn),人居生活生物質(zhì)廢棄物經(jīng)熱裂解炭化而產(chǎn)生生物質(zhì)炭,可以用于受污染水體中重金屬Cd的去除。因此,生物質(zhì)炭環(huán)境技術(shù)和產(chǎn)品可能是這些生物質(zhì)資源化的新去向。

3 結(jié)論

(1) pH對(duì)吸附影響試驗(yàn)的結(jié)果表明,pH對(duì)吸附量的影響不顯著。添加生物質(zhì)炭后溶液pH升高,且低濃度生高的幅度更顯著。最佳pH范圍是4～7.5,在此區(qū)間Cd2+的吸附量不受pH影響。

(2) 生物質(zhì)炭粒徑對(duì)吸附影響試驗(yàn)的結(jié)果表明,粒徑越小,吸附量越大。

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