污泥基生物炭的改性以及对废水中刚果红与镉污染的吸附研究

作     者：蔡青松 

作者单位：安徽建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄显怀;钱婧

授予年度：2024年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：污泥生物炭 镉 刚果红 复合污染 竞争与协同作用 

摘      要：该论文将污水处理厂剩余污泥热解制备生物炭,使用磷酸浸渍和锰氧化物负载对生物炭改性。通过SEM-EDS、FTIR、XRD、XPS、BET和Zeta电位对改性前后材料进行表征。研究在不同实验条件下改性前后生物炭对刚果红（CR）和镉离子(Cd（Ⅱ）)的去除性能的影响,用吸附动力学和等温吸附模型拟合,探究几种材料对CR和Cd（Ⅱ）的吸附类型。在复合污染中研究了CR和Cd（Ⅱ）之间的相互影响,探究了磷酸-锰氧化物复合改性生物炭（Mn-P-SBC）对CR和Cd（Ⅱ）复合污染的吸附机理。该论文对该材料在单吸附体系和双吸附体系中对CR和Cd（Ⅱ）均表现出良好的吸附能力,为CR和Cd（Ⅱ）废水的处理提供了理论依据,得出以下结论: （1）改性污泥基生物炭制备与表征。将污泥在600℃下热解得到污泥基生物炭（SBC）,并进行磷酸、锰氧化物和磷酸-锰氧化物复合改性,且命名为P-SBC、Mn-SBC和Mn-P-SBC。通过SEM,发现SBC具有不规则的多孔结构,而Mn-SBC的表面附着了明显的细小颗粒,且几乎均匀沉积,结合EDS和XPS证明附着的颗粒是锰氧化物。SEM和BET研究表明,磷酸改性后生物炭具有更多的孔隙结构和更大的比表面积,比表面积增加了约5倍,孔隙体积增加了2-5倍。Mn-P-SBC结合了两者的优点,具有更多的孔隙和锰氧化物负载。通过FTIR分析污泥基生物炭表面具有丰富的官能团,含有芳烃和脂肪烃,且生物炭表面的含氧官能团的数目得到增加。四种材料的XRD图谱显示了以SiO2和AlPO4为代表的标准峰,也包括硅酸铝（Al2SiO5）的峰。通过对Mn-P-SBC进行Zeta电位测定,结果表明在pH=2.68时,Mn-P-SBC的Zeta电位接近零电位点,表面电荷趋于0。 （2）改性前后污泥基生物炭对CR的吸附研究。结果表明,四种材料对CR的吸附量随投加量的增加而显著增加,其中P-SBC和Mn-P-SBC的吸附效果最好,在投加量为0.05 g时,吸附率达到98%以上。pH实验结果表明,当pH值在6.0-9.0之间时,四种材料对CR的吸附效果最好,最大去除率分别为68.1、81.3、100和100%,最大吸附容量分别为34.1、40.7、50和50 mg/g。P-SBC和Mn-P-SBC的吸附容量在最初的120 min内,对CR的去除迅速增加,并在240 min达到平衡,此时的去除率分别为100和99.5%,吸附容量分别为50和49.7 mg/g,而SBC和Mn-SBC则在24 h后达到吸附平衡,此时的最大吸附容量分别为29.7和44.6 mg/g;4种材料对CR的吸附量随初始浓度的增加而逐渐增加,而去除率也随之降低,随温度的升高二者显著增加,且在45℃、CR浓度为600 mg/L时,吸附量分别达到最大值200.1、283.3、466.0和394.2 mg/L,表明Mn-P-SBC对CR的去除是一个热吸附过程。Langmuir模型与改性污泥基生物炭对CR的吸附行为较为一致,四种材料对CR的吸附主要为单分子层吸附。同时,准二级动力学能较好地反映四种材料在CR上的吸附过程,拟合结果得到的理论平衡吸附量分别为40.7、44.6、48.2和47.8 mg/L,与实验结果接近。在5个循环后Mn-P-SBC对CR的吸附效率仍高于70%,证明Mn-P-SBC是有应用价值的材料。 （3）改性前后材料对Cd（Ⅱ）的吸附研究。生物炭用量、pH值、Cd（Ⅱ）浓度、吸附时间以及吸附温度对Cd（Ⅱ）的去除均有显著影响。当Cd（Ⅱ）溶液的初始浓度为5和10 mg/L时,Mn-P-SBC的用量为0.05 g,对Cd（Ⅱ）的去除率可达100%;当pH值为6-8时,对Cd（Ⅱ）的去除效果最好。当Cd（Ⅱ）溶液的初始浓度为30 mg/L时,720 min达到吸附平衡,四种材料的最大吸附量分别为3.3、10.0、2.7和11.5mg/g,最大去除率分别达到22.3、67、18和76.8%。在相同温度下,Mn-P-SBC对Cd（Ⅱ）的去除量随着Cd（Ⅱ）浓度的增加而逐渐上升,而去除率则逐渐降低;在相同浓度下,吸附量和去除率随温度的升高而明显增大。Cd（Ⅱ）等温拟合结果表明,Freundlich等温模型能较好地描述四种污泥基生物炭对Cd（Ⅱ）的吸附过程,说明四种材料对Cd（Ⅱ）的吸附是多分子层的混合吸附。此外,准二级动力学模型能较好地反映四种材料对Cd（Ⅱ）的吸附过程以化学吸附为主。在5个循环后Mn-P-SBC对Cd（Ⅱ）的吸附率仍高于50%,证明Mn-P-SBC是有研究意义的材料。 （4）Mn-P-SBC对Cd（Ⅱ）与CR复合污染的吸附研究。Mn-P-SBC对Cd（Ⅱ）和CR共污染的去除率均受到pH的影响。随着初始pH的增加（3-8）,Mn-P-SBC对Cd（Ⅱ）的吸附率由35.1