污泥-核桃壳复合活性炭制备及其吸附性能研究★

王春芳，李文静，郝晓雅，郝变梅，解雅娟，武家玉

（太原工业学院环境与安全工程系，山西 太原 030008）

引言

近年来，随着城镇污水厂规模的扩大和数量的增加，剩余污泥产量增加。而其成分复杂，含水率高，含有大量有机物、重金属以及大量的细菌、病毒、寄生虫等，未经处理就任意排放，会对环境造成严重危害[1]。现阶段污泥处理技术主要有填埋、焚烧、消化、脱水和远洋抛投等[2-5]。与传统方法相比，利用剩余污泥制备活性炭技术是将污泥资源化利用的有效途径之一，且符合国家节能减排政策。由于污泥灰分含量高而含碳量低、微孔较少、比表面积不高[6]，使其应用性差。而核桃壳具有木质素含量高、质地坚硬且多微孔、比表面积大、价格低廉的特点，使用核桃壳作为增碳剂，既可以实现废弃核桃壳的资源化利用，又可降低活性炭的制备成本，应用前景非常广阔[7]。染料废水颜色深，COD值大，污染负荷大，常含有难被生物降解的有机染料成分，有机染料在环境中停留时间较长并具有潜在毒性，是较难处理的有机废水之一[8]。因此，本文以城市剩余污泥为原料，核桃壳作为增碳剂，通过氯化锌活化法，采用单因素实验，制备出最佳吸附性能的活性炭。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料、试剂及仪器

剩余污泥取自太原市某污水处理厂；废弃核桃壳。

氯化锌、盐酸、无水硫酸铜、亚甲基蓝等，均为分析纯。

电热恒温干燥箱、箱式电阻炉、回旋式振荡器、电子天平等。

1.2 实验方法

分别取污泥、核桃壳为原料，在不同条件下进行活化处理，对比不同条件下制备的活性炭的吸附性能，得到最佳制备条件。

1.2.1 剩余污泥-核桃壳复合活性炭的制备

首先，将从太原市某污水处理厂取得的剩余污泥，均匀摊开，在实验室自然风干后，用研钵磨碎至可以用孔径为0.105 mm 的筛子筛下，装袋备用。其次，用粉碎机把核桃壳粉碎至可以用孔径为0.105 mm 的筛子筛下，收集备用。再次，按一定比例称取干污泥粉与核桃壳粉末，放入烧杯中，加入一定浓度的氯化锌溶液，按一定浸渍比浸渍1 d，随后于105 ℃下干燥。将处理后的样品装入带盖坩埚中，送进马弗炉，升温至所需温度，并停留一定时间，取出样品，用盐酸洗涤，过滤，用水滤洗至pH 接近7。最后，将制备的复合活性炭干燥，研磨，且用0.180 mm 筛子过筛，留作后续实验使用。

1.2.2 亚甲基蓝吸附值的测定

称取经0.180 mm 筛子过筛后的干燥试样0.100 g，于100 mL 具磨口塞的锥形瓶中，用滴定管加入适量的亚甲基蓝试液，待试样全部湿润后，立即置于回旋式振荡机上振荡20 min，环境温度为室温，并用中速定性过滤纸进行过滤，将滤液与硫酸铜标准滤色液（称取4.000 g 结晶硫酸铜溶于1 000 mL 水中）的颜色相对照，所耗用亚甲基蓝试液的体积即为试样的亚甲基蓝吸附值。由式（1）可求出亚甲基蓝吸附值。

式中：A 为亚甲基蓝吸附值，mg/g；B 为亚甲基蓝吸附值，mL/0.1g。

2 结果与讨论

2.1 活化温度的确定

活化温度对亚甲基蓝吸附值的影响如下页图1所示。由图1 可知，从300 ℃～450 ℃，吸附值从36 mg/g升至48 mg/g，从450 ℃～600 ℃，吸附值随之减小。其主要原因是，低温环境制备污泥活性炭，温度达不到所需值，污泥不能彻底地炭化活化，不能生成有效的微孔，活性炭吸附能力不好。当温度逐渐升高，剩余污泥活化更充分，并且有利于污泥中的挥发分析出，氯化锌对剩余污泥起到侵蚀、水解和脱水等作用，使之形成丰富的孔隙，活性炭吸附值提高。当温度过高时，活性炭碳素烧毁严重，而使活性炭的孔隙结构被破坏，丰富的微孔变大，活性炭吸附能力降低。此外，温度过高会使氯化锌蒸汽压增大，氯化锌含量减少，进而使污泥活化不充分，活性炭吸附值下降。因此，活化最适温度选择450 ℃。

图1 活化温度对亚甲基蓝吸附值的影响

2.2 活化时间的确定

活化时间对亚甲基蓝吸附值的影响如图2 所示。从活化30 min～60 min，吸附值逐渐升高，60 min 之后，活性炭吸附值减小。在一定温度下，活化时间过短，污泥炭化活化不充分，有效孔隙结构较少，活性炭吸附值较低。活化时间60 min，反应完全，吸附值最高。活化时间过长，前期反应生成的结构会出现烧结现象，微孔较少，有中、大孔形成，活性炭吸附值减小。因此，最佳活化时间选择60 min。

图2 活化时间对亚甲基蓝吸附值的影响

2.3 浸渍比的确定

浸渍比对亚甲基蓝吸附值的影响如图3 所示。从图3 可知，随着溶液体积的增加，活性炭的亚甲基蓝吸附值从40.5 mg/g 升高至48 mg/g，又降至40.5 mg/g。在氯化锌溶液为污泥质量的1.5 倍时，活性炭的亚甲基蓝吸附值最大，制备的活性炭吸附性能最好。在本文中浸渍比是指剩余污泥与氯化锌溶液的比例。浸渍比小，氯化锌含量少。当浸渍比逐渐增大时，氯化锌含量也逐渐增多，活性炭吸附值增大。但浸渍比过大时，氯化锌含量过高，反应快，活性炭吸附值降低，吸附性能减弱。因此，选择最佳浸渍比1∶1.5。

图3 浸渍比对亚甲基蓝吸附值的影响

2.4 活化剂浓度的确定

活化剂浓度对亚甲基蓝吸附值的影响如图4 所示。浓度从1 mol/L～5 mol/L，活性炭的亚甲基蓝吸附值逐渐上升。且浓度为5 mol/L 时，活性炭吸附值最高，活性炭的吸附性能最好。这主要是利用氯化锌的脱水缩合，并抑制制备活性炭中焦油的产生，加快形成碳骨架及微孔。浓度低时，氯化锌的含量就比较少，剩余污泥不能充分活化，形成的孔隙较少，活性炭的吸附性能小。因此，选择5 mol/L 为最适活化浓度。

图4 活化剂浓度对亚甲基蓝吸附值的影响

2.5 原料配比的确定

原料配比对亚甲基蓝吸附值的影响如图5 所示。由图5 可知，随着核桃壳添加比的增加，活性炭的亚甲基蓝吸附值上升，从20%到40%，活性炭吸附值下降，但下降趋势不大。因为核桃壳含有大量木质素，含碳量较高。本文研究的主要对象是剩余污泥，目的是剩余污泥的资源化。核桃壳仅作为增碳剂，根据活性炭的亚甲基蓝的吸附值变化趋势，选择核桃壳添加比20%为最佳的原料配比。

图5 原料配比对亚甲基蓝吸附值的影响

3 结论

将市政污水处理后的剩余污泥和核桃壳混合，用氯化锌活化法制备剩余污泥-核桃壳复合活性炭。

制备剩余污泥-核桃壳复合活性炭的最佳条件为：活化温度为450 ℃，活化时间为60 min，活化剂浓度为5 mol/L，浸渍比为1∶1.5，核桃壳添加比为20%。在此条件下，活性炭的亚甲基蓝吸附值最高，活性炭吸附性能最好。