污泥活性炭的制备及其对染料废水脱色性能的研究

摘要

本论文以城市污水处理厂脱水污泥为原料，采用化学活化法(ZnCl2作为活化剂)制备污泥活性炭，对制备工艺条件和机理进行了研究：在对污泥活性炭结构表征的基础上，研究了其对酸性大红GR、酸性蓝324和活性红紫X-2R这三种不同性质染料的吸附动力学和吸附热力学，并对吸附染料前后的污泥活性炭的表面基团的变化进行了定性和定量分析，进一步明确了吸附作用机理；设计了以污泥活性炭做填料的小型吸附柱，考察污泥活性炭加热再生前后对酸性大红GR染料废水的动态吸附效果。
　　 以碘吸附值和亚甲基蓝吸附值为衡量标准，筛选出制备污泥活性炭的最佳工艺条件为：活化剂浓度为40％、液固比1.5:1、活化温度500℃、活化时间25min，制得的污泥活性炭的碘吸附值为633.95mg/g，亚甲基蓝吸附值为15.68mg/g，BET比表面积可达418.79m2/g，总孔容积约为0.2597cm3/g，具有较开放的孔隙结构，适合吸附染料分子。红外光谱分析和Boehm酸碱滴定法测得，污泥活性炭表面含有羟基、不饱和-C=C-键或-C=O、饱和烷烃中的-CH-键及-C-Cl-等结构，主要含氧基团-碱性基团、酸性基团、酚羟基和羧基的含量依次为：0.5492mmol/g、1.8104mmol/g、1.0161mmol/g和0.2709mmol/g。热重分析表明，活化剂ZnCl2的作用是脱水缩合，使原料中C得到充分利用。污泥活性炭浸出液检测表明，浸出液中Cu、Pb、Cd、As和Ni离子浓度均低于检测极限，Fe和Cr离子浓度小于0.002mg/g，Zn离子虽然较高，但低于浸出毒性限值，并且，加大清洗力度可使其显著减小。
　　 污泥活性炭对三种染料的静态吸附实验表明，其对三种染料均具有很好的吸附能力，通过控制适当的吸附剂投加量、吸附时间和pH值，三种模拟染料废水均可达到很高的脱色率。吸附性能的优劣顺序为：酸性大红GR＞酸性蓝324＞活性红紫X-2R。静态吸附容量分别为：43.67mg/L、33.56mg/L和31.35mg/L。伪二级动力学模型能很好地描述三种染料在污泥活性炭上的吸附动力学行为，对于酸性蓝324和活性红紫X-2R，颗粒内扩散过程也影响吸附速率。Langmuir等温方程均比较适宜描述三种染料在污泥活性炭上的吸附行为，污泥活性炭对三种染料的吸附主要为单分子层吸附，均是一个吸热过程(吸附焓ΔH＞0)，提高温度有利于吸附的进行，吸附过程自发进行(吸附自由能ΔG＜0)，伴随着吸附熵的增加(△S＞0)。在染料吸附过程中，污泥活性炭表面的羧基与染料分子中的基团键合且羟基等酸性基团对吸附作用贡献也较大。
　　 室温条件下，用污泥活性炭吸附柱(Φ16×165mm，内装污泥活性炭15g)处理流量为10ml/min的酸性大红GR模拟染料废水，在吸附11小时后达到其穿透点，对其采用加热再生法进行两次再生并在同样的实验条件下用于染料废水的动态吸附，分别在吸附9.7小时和8.8小时后达到其穿透点，得污泥活性炭再生前后的动态吸附容量分别为40.7mg/L、37.26mg/g和31.24mg/g，再生效果比较好。
　　 研究结果表明，城市污水处理厂污泥可以制备出吸附性能良好的污泥活性炭，污泥活性炭可以作为一种高效、安全、经济的吸附材料，可用于含染料等污染物的工业废水的处理，这为城市污水处理厂的污泥资源化提供了有效途径。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 污泥处理处置现状

1.3 污泥制备活性炭的研究

1.4 本课题的研究意义和内容

第2章 实验材料和研究方法

2.1 实验药剂和设备

2.2 实验方法

第3章 污泥活性炭的制备与表征

3.1 污泥的预处理

3.2 污泥活性炭制备工艺条件的优化

3.3 污泥活性炭的表征

3.4 污泥活性炭制备机理的初步分析

3.5 小结

第4章 污泥活性炭对染料废水吸附性能的研究

4.1 吸附时间的影响

4.2 pH值的影响

4.3 吸附投加量的影响

4.4 吸附热力学研究

4.5 吸附动力学研究

4.6 吸附机理的初步探讨

4.7 动态吸附及吸附剂再生实验

4.8 小结

第5章 结论及建议

参考文献

攻读学位期间发表论文情况

致谢