污泥基陶粒制备及降解双酚A的方法研究

摘 要：基于低碳环保理念，利用污泥资源化再生制备污泥基陶粒，并对水中双酚A起到降解作用。其研究结果表明，污泥、蒙脱土、变性淀粉配比为7∶3∶2，用木薯变性淀粉制备的污泥基陶粒综合性能最佳。用污泥基陶粒对水体中双酚A进行降解试验，通过单因素试验得出最佳的反应条件：最佳反应时间为4h，污泥基陶粒最佳投加量为25g，对双酚A降解率高达90%，循环再生利用可达4次，其降解率基本维持在70%。

关键词：污泥基陶粒；双酚A；降解

中图分类号：X 70" 文献标志码：A

双酚A是一种内分泌干扰物，会导致内分泌失调，威胁着胎儿和儿童健康，还会导致一些免疫、神经系统疾病、恶性肿瘤等[1]，易通过水体进入人体内，对生命健康产生不可估量的影响。双酚A广泛应用于包装材料上，这也引起了各国对食品及各种包装材料的广泛关注[2]。目前对双酚A的主要处理方法为物理吸附法、生物法、高级氧化法[3-4]，能否对其进行高效处理是需要进一步探索的问题。通过综合考虑，结合城市污泥特性，有机物含量高，易腐化发臭，处置不当极易对自然环境造成影响[5-6]。因为有机质含量高，所以制备的污泥基陶粒对水中双酚A能起到吸附降解的作用，很大程度上缓解了生活污泥对环境产生的压力[7-9]。这不仅解决了污泥过量带来的环境问题，还解决了水环境中双酚A带来的危害，对改善环境具有重要意义。

1 试验部分

1.1 仪器设备

DHG-9140A型电热鼓风干燥箱，UV-5100型紫外可见分光光度计，MiniFlex600-C型 X射线衍射仪，IR-1S型傅里叶变换红外光谱仪，DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器。

1.2 污泥基陶粒制备及降解双酚A的测试方法

制备污泥基陶粒：根据不同配方称取污泥、蒙脱土、变性淀粉放置于烧杯中，加入适量水，制成泥状，再制备相应粒径污泥基陶粒，风干24h，选取适宜碳化温度、烧结时间制备污泥基陶粒。

称取适量污泥基陶粒装入酸式滴定管中，再将适量双酚A测试液匀速滴定酸式滴定管中，根据不同影响因素进行设计，反复滴定直至吸附饱和状态，取上清液用紫外可见分光光度计测定双酚A的吸光度，绘制双酚A溶液标准工作曲线，计算浓度和降解率，并设置平行样和空白试验对照。

2 试验结果与讨论

2.1 不同碳化温度制备污泥基陶粒

随着碳化温度不断升高，污泥基陶粒的碳化程度会加深。当碳化温度在200℃～300℃时，污泥基陶粒表面完全碳化，其内部不完全碳化，中心部位仍出现污泥原始的褐色。当碳化温度为350℃时，污泥基陶粒内外均呈现黑色，表明该温度下污泥基陶粒完全碳化。当碳化温度为400℃时，污泥基陶粒内部呈现黑色，但表面出现灰化现象，表明该温度条件下污泥基陶粒过度碳化。适当提升碳化温度，可以使胚料中的有机物充分分解，有利于污泥基陶粒膨胀，增加陶粒比表面积及活性位点的裸露，从环境经济性上分析，污泥基陶粒在350℃条件下碳化最合适。不同碳化温度制备污泥基陶粒成型情况如图1所示。

2.2 不同配比对双酚A降解的影响

由图2可知，随着变性淀粉增加，双酚A的降解率也随着增加并逐渐趋于平稳。当污泥、蒙脱土、变性淀粉比例为7∶3∶0.5时，降解率仅为10.1%，添加的淀粉量较少会导致偏硬不易成型，不利于陶粒制备，且烧结后，相对比表面积较小。当淀粉含量为1～2时，其降解率由28.3%增至54.4%，说明随着淀粉量增加，糊化效果较好，混匀较快，有利于污泥基陶粒制备，且烧结后淀粉容易碳化，形成较多微细空隙增加陶粒的比表面积，碳化效果较为明显，有利于陶粒表面的羟基自由基裸露，提高其对水中双酚A的吸附降解效率。当变性淀粉含量增至2.5～3时，其吸附降解效果基本维持在相对平稳的状态，降解率约为54%，糊化效果明显，因此易于陶粒成型，但淀粉过多也会导致碳化的稳定性变差，其有效的羟基自由基活性位点未出现明显增加，导致降解效果未提升。

综上所述，从环境经济效益方面来看，选取污泥、蒙脱土、变性淀粉配比为7∶3∶2最合适，其降解率为54.4%。

对不同品种变性淀粉材料进行探究，其中以木薯变性淀粉对双酚A的吸附降解效果最佳，其降解率高达65.3%，而马铃薯淀粉、羟丙基淀粉、支链淀粉、玉米淀粉的降解率分别为56.7%，57.2%，58.7%，56.7%，木薯变性淀粉通过变性消除黏性，在陶粒烧结过程中，陶粒内部容易产生疏松结构，增加了污泥基陶粒的空隙及比表面积，便于羟基自由基活性位点保存及裸露，从而给双酚A分子提供了更多的接触反应时间与空间，提高了其吸附能力。综上所述，变性淀粉选取木薯淀粉对水中双酚A的吸附降解效果最佳，其降解率为65.3%。

2.3 不同降解时间对双酚A降解的影响

由图3可知，在相同的试验条件下，反应时间与降解效果成正比，趋势从上升到平稳。当反应时间为1h时，双酚A降解率最低，为18.8%，说明反应时间不充分，温度较低，反应速度慢，导致降解率最低。当反应时间增至4h时，污泥基陶粒对水中双酚A降解效果呈现上升趋势，其降解效果达到最佳，为71.4%，说明适当延长反应时间，对整个吸附降解反应过程起促进作用。污泥基陶粒降解双酚A，开始时是以物理吸附为主，化学吸附为辅，因此短时间是通过陶粒表面的空隙通道截留双酚A，快速降低水中的双酚A含量，但吸附率不高，需要足够的接触时间，转为更稳定的化学吸附，通过陶粒表面的羟基自由基活性位点进一步捕获双酚A，随着反应时间增加，吸附降解效果越好，最终达到吸附饱和状态，此时降解率达到最高。随着时间延长到5h，降解率也不再提高。综上所述，从环境经济效益和能源效益上分析，污泥基陶粒反应降解双酚A最适时间为4h。

随着污泥基陶粒投加量增加，双酚A 的降解率也随之提高。当陶粒从5g增至10g时，降解率提高了26%，说明投加量较少时，与双酚A有效接触位点较佳，吸附降解效果越好。随着陶粒质量增加，每增加5g～25g，其降解率达到90.6%，同时降解率增加幅度逐渐降低，说明反应速率变缓，当双酚A的浓度降至一定值时，影响其总体吸附降解率，而随着陶粒投加量增加，反应时间也会相应延长，综合效率反而下降，结合吸附降解速率与时间的关系，再增加陶粒投加量的意义不大。综上所述，最佳投加量为25g。

2.4 陶粒循环再生对双酚A降解的影响

由图4可知，对陶粒进行活化再生处理后，均有较高的再吸附降解能力，重复吸附降解的效率相对较好，基本维持在73%，与第一次产品运用时相比，降解率高达90%，也是相对可观的，整体而言，该处理对环境保护作用及低碳环保具有深远的意义。因此再生过程中的表面相对孔隙有利于维持羟基自由基等活性位点的活性，便于再生利用，实现更高的经济价值。约 180℃时，双酚 A 会发生分解，因此在活化过程中，也要避免双酚A逃逸对其他环境产生二次污染，通过马弗炉煅烧能够有效减少双酚A二次污染。污泥基陶粒重复第五次后，其陶粒表面出现融化与坍塌的现象，不利于回收再生，且反应后溶液有点浑浊。

综上所述，从环境效益上分析，污泥基陶粒重复回收4次最合适，其降解率约为70%。

2.5 污泥基陶粒XRD表征

由图5可知，污泥基陶粒主要含有SiO2、Fe2O3、Al2O3、Al（OH）3等无机物质，这些物质主要是由污泥、蒙脱土含有的无机化合物经烧结产生的。其中，SiO2峰形尖锐最明显，说明其结晶度高。Fe2O3峰形较弱，说明含量较低和结晶度不佳。Al（OH）3表现出明显的宽峰形态，说明污泥中有机质成分活性位点与其OH-之间可能形成氢键、范德华力等分子间作用导致峰形变弱变宽，且其他无机质成分中大量存在氧活性位点，均有利于羟基自由基的生成，同时铁离子、铝离子具有一定催化作用，能够有效增强双酚A的吸附降解效果。

3 结论

本文根据以废治废的理念，利用污泥中有机质含量高的特征，根据不同配方将污泥、蒙脱土和木薯变性淀粉按比例辅配用于制备污泥基陶粒，通过烧结碳化过程，有效降低有机质成分以促进羟基自由基的生成及空隙通道形成，并利用淀粉碳化增加陶粒的比表面积，开发了一种高效、稳定大孔复合材料，并探究对双酚A吸附降解的效应，对双酚A的降解率高达90%，循环再生利用可达4次，降解率基本维持在70%，以此实现低碳环保，达到以废制废的目标，为今后相关研究提供一定的借鉴作用。

参考文献

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通信作者：蔡聪育（1986-），男，汉族，福建仙游人，硕士，讲师，研究方向为水环境治理及固废高质化利用。

电子邮箱：caicongyu@139.com。