污泥混合核桃壳炭的制备及其对土壤中Cr(VI)吸附性能的研究*

雍青林，严 云，李涛生，王羽娇

(西昌学院资源与环境学院， 四川 西昌 615013)

我国是一个资源大国，其中矿产资源较为丰富，其开发利用对于经济的发展具有重要支撑作用。随着对矿产资源的开发，对矿山周围的土地也会造成污染，破坏当地的生态环境，造成土地资源的浪费[1]；矿山周围土地污染主要是由于开发过程中矿物的堆放和矿物扬尘等引起，矿物中重金属进入土壤，土壤受到破坏[2]。因此治理废弃矿山土地的关键在于对矿山土地中的重金属进行降解。目前对于重金属的处理主要有植物富集、吸附法和电解法等，其中吸附法的成本低、操作简单、磁化后容易回收是常用的方法之一[3-4]。

吸附法主要是通过运用不同材料制备的生物炭对重金属进行吸附，降低土壤中的重金属含量。随着人口的不断增加，城市污水也不断增加，为了解决城市污水问题，越来越多的污水处理厂随之兴建，活性污泥产量不断增大。在国内对于污泥活性炭主要从其制备、混合其他材料得到新的吸附材料后，对重金属进行吸附。张伟等[5]采用城市污泥制备污泥活性炭对水中六价铬的吸附进行了研究，邵玲等[6]采用APTES对污泥活性炭进行改性后对水中铅的吸附进行了研究。

本研究选用西昌邛海污水处理厂的污泥作为原料，加入一定比例的核桃壳粉，制备污泥混合生物质炭，再对矿山废弃地土壤中Cr(VI)进行吸附，并研究其吸附参数的影响。

1 实 验

1.1 材料与仪器

试剂：重铬酸钾，二苯碳酰二肼，三氯化铁，氯化锌，丙酮，氢氧化钠，盐酸，硫酸，磷酸(所以试剂均为分析纯)。

仪器：TGL-16G高速台式离心机，上海安亭科学仪器厂；FW-400A倾斜式高速万能粉碎机，北京中兴伟业仪器有限公司；HZQ-X100A数控型恒温培养振荡器,上海一恒科学仪器有限公司；UV-7504C紫外可见分光光度计,上海精科天美科学仪器有限公司；SX2-15-12马弗炉,东台市宏祥电炉制造有限公司；FTIR-650傅里叶变换红外光谱仪,天津港东科技发展股份有限公司；实验用水为去离子水。

1.2 活性炭制备方法

实验所用的核桃壳购自西昌市安宁镇菜市场。先用自来水洗去表面粘附的灰尘、砂砾，再用去离子水浸泡 2～3 h，80 ℃烘干后粉碎过筛，选出粒径在 60～80 目(0.2～0.3 mm)的颗粒，用 0.1 mol/L 的 HCl 溶液酸洗去除悬浮细小杂质，再用去离子水清洗至中性，放入干燥箱中于 80 ℃下烘干。

污泥从邛海污水处理厂采集得到，其含水量为5%，挥发份54.3%，灰分为35.4%，将污泥放与烘箱，80 ℃烘干后粉碎过筛，选出粒径在 100 目(0.5 mm)的颗粒。

按照污泥质量比为60%，核桃壳质量为40%的比例混匀[7-9]；按照1:2.5的固液比，加入配置好的4 mol/L的氯化锌溶液搅拌1小时，静置1h，放入烘箱中烘干，放入马弗炉中在600 ℃下煅烧1 h，取出自然冷却；再用盐酸和蒸馏水洗涤烘干。

1.3 土样制备

供试土壤取自当地矿山废弃地，土壤取样深度为 0～20 cm，去掉动植物残骸、硬石块等杂物，混匀后，采用四分法，取土壤 3 kg，于阴凉处风干，研磨，过100目尼龙分样筛后，装入广口瓶内密封备用。

1.4 吸附实验

精确称取于 110 ℃下干燥 2 h 的重铬酸钾(K2Cr2O4，分析纯)(0.2829±0.0001) g， 用水溶解后，移入 1000 mL 容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀。可稀释成试验所需的相应浓度。投加供试土样 5 g 于 250 mL 锥形瓶中。按水土比 1：10 准确移加 K2Cr2O4溶液(含 0.01 mol/L的 KCl 作平衡电解质)溶液 50 mL，混合均匀。于 200 r/min 的气浴恒温摇床中振荡后，以 4000 r/min 高速离心 10 min，取上清液。

1.5 分析方法

采用二苯碳酰二肼分光光度法[10-11](GB/T 15555.4-1995)于 540 nm 波长下测定溶液吸光度，再由标准曲线上查得残留Cr(VI) 的质量浓度，求算 Cr(VI) 吸附率。

按下列公式计算去除率:

其中，C0、Ce分别是土壤溶液中 Cr(VI)的初始和平衡浓度，单位为 mg/g。

2 结果与讨论

2.1 污泥混合核桃壳炭的添加量对土壤中Cr(VI)去除率的影响

分别投放污泥混合核桃壳炭 0.05、0.1、0.15、0.25、0.35、0.5 g(即干土的 1%、2%、3%、5%、7%、10%)于锥形瓶中混合均匀，移取 40 mg/L 的 Cr(VI)溶液，在 30 ℃、200 r/min 的数控恒温气浴摇床中振荡 120 min 后，取样测定残留 Cr(VI)浓度。

由图1可以看出随着污泥混合核桃壳炭的投加量的增加，土壤中Cr(VI)的去除率逐渐上升的趋势，当污泥混合核桃壳炭的投加量增加到0.35 g，去除率达到最大值96.8%，随后去除率随炭量的增加而下降。研究表明这主要是因为随着活性污泥混合核桃壳炭量的增加，可以提供较多的吸附点位，所以去除率随着投炭量的增加而增加，但是当吸附剂的用量达到饱和以后，土壤中Cr(VI)的去除率不在发生明显的变化，主要原因可能是吸附剂达到吸附平衡以后，再增加吸附剂的用量只是增加了无效的点位[12]。

图1 炭投加量对去除率的影响

2.2 污泥混合核桃壳炭的震荡时间对土壤中Cr(VI)去除率的影响

由图2可知，随着震荡时间的增加，污泥混合核桃壳炭对土壤中的 Cr(VI)吸附率呈上升趋势，在震荡时间达到120 min时去除率达到最大值96.8%，随后去除率出现下降的趋势。原因可能是在吸附的初始阶段主要是物理吸附，但是随着震荡时间的增加化学吸附占主导地位，溶液分子和吸附剂表面具有排斥力，当达到最佳吸附效果后，就很难再进行吸附[13]。所以本次实验选取120 min作为最佳吸附时间，进行吸附实验。

图2 震荡时间对吸去除率的影响

2.3 污泥混合核桃壳炭的初始浓度对土壤中Cr(VI)去除率的影响

由图3可以看出，污泥活性混合核桃壳炭对Cr(VI)的吸附随初始浓度增加增加，当溶液初始浓度为100 mg/L时去除率达到了96.8%，之后去除率下降，研究表明可能是在初始浓度较低的时候，吸附剂点位不能达到饱和，吸附只发生在吸附剂表明，随着浓度的增加，当吸附剂表面饱和以后，水中Cr(VI)围绕在吸附剂周围，促使去除率下降[14]。因此本次实验选取100 mg/L作为实验的初始浓度。

图3 溶液初始浓度对去除率影响

3 结 论

以添加污泥混合核桃壳炭的对土壤Cr(VI)吸附为研究，各参数影响实验表明在炭投加量为0.35 g，震荡时间为120 min，初始浓度为100 mg/L时的去除率为96.8%。本研究中选取西昌邛海污水处理厂的污泥作为原料，加入一定比例的核桃壳粉，制备污泥混合生物质炭，原材料来源廉价且广泛，对土壤中Cr(VI)的去除率相对较高，为矿山废弃地的修复找到了一种适宜的吸附材料。