树叶改性污泥基生物炭对Cr6+的吸附研究

张志婷 吕舒怡 吕昕雅 王伊妹 王建德 程寒 刘亚利

摘 要：本研究采用杂交鹅掌楸落叶对污泥基活性炭（SAC）进行改性后得到MSAC，并研究SAC和MSAC对Cr6+的吸附性能。采用扫描电子显微镜（SEM）对SAC和MSAC进行表征分析表明，添加树叶使得MSAC比SAC具有更好的表面和孔隙结构。同时，生物炭添加量、吸附时间、pH和Cr6+初始浓度对Cr6+的吸附研究发现，MSAC对Cr6+的去除率优于SAC，最大去除率分别为81.7%和65.4%。最佳吸附条件为：初始浓度10mg/L、pH为2、投加量4g/L、吸附时间150min。

关键词：剩余污泥; 杂交鹅掌楸落叶; Cr6+;去除率

中图分类号：X703          文献标识码：A       文章编号：1006-3315（2021）12-165-003

重金属是造成水环境污染的重要因素之一。铬（Cr）作为重金属的代表，广泛应用于电镀、印刷、制药、冶金、造纸、皮革、印染等行业[1]。水中的Cr6+具有易溶于水、剧毒、强氧化、致癌、致突变等特点[2，3]。因此，有效去除Cr6+对环境保护和人类健康非常重要。

迄今为止，已经开发了多种技术来降低水中的Cr6+[4-6]。吸附法具有设备简单、价格低廉、吸附效率高、吸附污染物范围广等优点，受到青睐[7]。近年来，利用污泥等低成本的生物质制备活性炭，并用来吸附去除重金属成为研究热点[4]。针对污泥灰分高、孔隙不发达等缺点，适当添加纤维素含量较高的农业废弃物，能够有效改善污泥基生物炭的理化性能，提高对污染物的去除能力[7-11]。

因此，本文采用杂交鹅掌楸的落叶对污泥基生物炭进行改性（SAC），并对比研究了改性后的生物炭（MSAC）与SAC对Cr6+的吸附效果。重点考察了吸附时间、Cr6+初始浓度、pH值、生物炭投加量对Cr6+的去除效率。同时，采用扫描电镜（SEM）分析了改性前后生物炭的性质。

1.材料和方法

1.1试验材料

本试验采用污泥和杂交鹅掌楸落叶制备生物炭。污泥取自江宁开发区污水处理厂的脱水机房，落叶收集自南京林业大学。

1.2活性炭样品制备

将污泥和落叶经100℃烘箱烘干至恒重后，粉碎过50目筛备用。污泥中加入3mol/L的ZnCl2溶液（固液比1：3）后，将烧杯置于35℃、200rpm的恒温摇床中振荡24h，而后10000rpm离心5min后100℃继续烘干至恒重。然后，在550℃的马弗炉中热解45min取出，用1.0mol/L的HCl清洗1遍后水洗至中性。最后，100℃继续烘干至恒重得到SAC。同时，污泥和落叶质量比为2：3混合，用上述方法制备的生物炭为MSAC。

1.3试验方法

采用批次试验研究MSAC和SAC对Cr6+的吸附影响。向一系列250mL锥形瓶中分别加入10-50mg/L的Cr6+溶液，然后分别加入1-6g/L的MSAC或SAC，再用1.0mol/L的HCl或NaOH将溶液pH分别调至2-10，将锥形瓶置于振荡速率200rpm的振荡器中，考察240min内的Cr6+浓度的变化。

1.4检测方法

采用场发射扫描电子显微镜（JSM-7600F，Japan）观察SAC和MSAC的表面形态。采用pH计（PHS-3C，雷磁）测定pH值。每隔一定时间取出2mL溶液经0.45μm膜过滤后，在540nm的紫外分光光度计分析Cr6+浓度。

1.5数据分析

Cr6+的去除率（E，%）计算如公式（1）所示：

其中，Ci（mg/L）和Ce（mg/L）分别为Cr6+的初始浓度和平衡浓度。

2.结果与讨论

2.1生物炭的扫描电镜分析

SAC和MSAC的SEM如图1所示。由图可见，SAC的表面较松散、孔隙的形状不规则，表面有较多的小颗粒杂质。MSAC的表面相对光滑、结构较紧实，孔隙形状规则深度较深，七孔隙比SAC更加发达。这说明添加树叶有助于孔隙的形成，能够为Cr6+提供充足吸附点位。

2.2活性炭投加量对Cr6+的吸附影响

Cr6+初始浓度30mg/L、pH为2、吸附时间为90min、温度297K条件下，SAC和MSAC投加量对Cr6+的吸附影响如图2所示。

由图可见，Cr6+的去除率隨SAC和MSAC投加量的增加先快速升高，而后逐渐稳定。例如当MSAC投加量从1g/L增加到4g/L时，Cr6+去除率由50.9%提高到81.7%，继续增加MSAC至6g/L时，Cr6+去除率仅提高至83.8%。投加SAC反应器中的最大Cr6+去除率为72.1%，比相应的MSAC反应器低了13.98%。MSAC在较低浓度下对Cr6+具有更好的吸附效果，主要是因为添加树叶改性后，MSAC的孔隙得到改善，能够为Cr6+提供更多的活性点位[12]。

2.3吸附时间对Cr6+的吸附影响

Cr6+初始浓度为30mg/L、pH为2，温度273K、SAC和MSAC的投加量为4g/L时，吸附时间对Cr6+的吸附影响如图3所示。随着时间的延长，Cr6+的去除率逐渐升高，当吸附240min时，SAC和MSAC对Cr6+去除率分别为69.6%和85.3%。此外，吸附初期，Cr6+浓度较高、吸附点位充足，去除率快速升高，而到了后期，随着吸附点位减少、Cr6+浓度降低，MSAC和SAC对Cr6+的吸附和解析速率相近，吸附达到平衡[13]。

2.4 pH值对Cr6+的吸附影响

SAC和MSAC的投加量为4g/L、Cr6+初始浓度为30mg/L、吸附时间为90min、温度为297K时，pH值对Cr6+的影响如图4所示。SAC和MSAC对Cr6+的去除率均随pH值的升高呈下降趋势，且任意pH条件下MSAC的去除率均高于SAC。例如，当pH=2时，SAC和MSAC对Cr6+的去除率分别为66.8%和88.9%。主要是因为添加树叶使得MSAC表面增加了-OH、-COOH等带负电的基团，提高了与Cr6+的静电吸引力。

2.5 Cr6+初始浓度对吸附的影响

SAC和MSAC投加量为4g/L、pH值为2、吸附时间为90min、温度为297K、初始浓度对Cr6+的吸附如图5所示。SAC和MSAC对Cr6+的最大去除率80.4%和89.9%出现在10mg/L。这是因为在吸附剂投加量一定条件下，活性炭提供的吸附点位是有限的，随着Cr6+浓度的不断升高，必然会导致吸附点位附近过度拥挤而产生吸附障碍[14]。

3.结论

SAC和MSAC对Cr6+的对比吸附得出以下结论：

（1）MSAC的表面比SAC更光滑、更紧实，孔隙结构也更规则。

（2）MSAC的吸附效果优于SAC，在相同吸附条件下，SAC和MSAC对Cr6+的去除率分别为65.4%和81.7%。

（3）MSAC对Cr6+的最佳吸附条件为：初始浓度10mg/L、pH为2、生物炭投加量4g/L、吸附时间150min。

基金项目：国家自然科学基金（51808282）;大学生创新基金（202110298027Z）

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