CN107032438A - 污泥基生物质水热炭吸附剂去除水中结晶紫染料的方法 - Google Patents

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Abstract

污泥基生物质水热炭吸附剂去除水中结晶紫染料的方法属于水处理领域。将污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨，筛分至350‑850μm，称取25‑100g污泥颗粒，加400‑475ml水配制泥水混合溶液，并用HCl和NaOH溶液调节上述泥水混合溶液的pH值至5‑9，放入反应釜中，盖上反应釜盖，向反应釜中通氮气3分钟，使釜体中形成无氧环境，在180‑240℃下反应3‑9小时生成污泥基生物质水热炭，离心并用水清洗数次，干燥，即得到污泥基生物质水热炭吸附剂。本发明操作简单，成本低廉，无二次污染，具有产业化前景。本发明不仅减轻了环境负荷，同时为城市污泥的利用提供了新途径，实现了污泥的资源化利用和水环境保护。

Description

污泥基生物质水热炭吸附剂去除水中结晶紫染料的方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体是涉及一种利用污泥基生物质水热炭吸附剂去除水中结晶紫染料的方法。
背景技术
目前,许多合成染料通过多种渠道(纺织、皮革、纸、印刷、食品、化妆品、油漆、颜料、石油、溶剂、橡胶、塑料、农药等)进入水中，一般来说，含10-200mg/L染料的水排放到自然水体会对生物体造成毒害、致癌或是引起诱变。因其结构复杂和难降解等特性，染料难以脱色，这使得必须从水中去除染料。
结晶紫(CV)作为一种典型的阳离子染料，具有多种用途:生物染色剂、用于皮肤病的治疗、家畜和家禽饲料的添加剂用来抑制霉菌的繁殖、消灭肠道寄生虫和真菌等作用。染料水通常采用物理或化学处理过程，然而，这些技术通常对于颜色去除效果不佳、费用高而且处理染料水有很大的局限性。作为去除染料最有效的方法，吸附法广泛用于染料污染物的去除。生物质炭是一种典型的生物吸附剂，是指由富含碳的生物质通过裂解或者不完全燃烧生成的一种生物质。根据加热方式不同，利用生物质原材料制备生物质炭分为两种，一种是热裂解方式，是指在较高温度和隔绝空气条件下将生物质慢速加热并停留几小时到几天时间，得到的产物叫裂解生物质炭；一种是生物质水热炭化的方式，是以水为反应介质，将密闭反应器内的生物质低温加热反应若干时间，得到产物叫水热生物质炭。生物质炭具有发达的孔隙结构、高的比表面积以及丰富的表面官能团等特点，这使生物质炭在生物吸附领域有广泛的应用前景。
城市污泥生物可利用性差，含水率高达99％以上，大多为细胞束缚水，而且常规方法很难脱除掉，极大制约了剩余污泥的运输及资源化利用。生物质水热炭化处理一方面很容易破坏微生物细胞，使污泥中的有机物水解，随着水热反应温度和压力的增加，颗粒间碰撞增大导致胶体机构的破坏，实现固形物和液体分开；另一方面还可以实现污泥的减量化、资源化、无害化和稳定化。污泥作为一种产量巨大的高含水率废弃生物质，其生物质水热炭化具有污染防治和碳减排的双重效益。如果将污泥用于制备生物质水热炭，其前景非常广阔。
在本专利中，提供了利用市政污泥制备生物质水热炭吸附剂去除印染水中结晶紫的有效方法，不仅可以减轻污泥处理不善而对环境造成的二次污染，还可以变废为宝，去除水中的结晶紫染料，以废治废，实现污泥资源的有效利用和水环境保护。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效环保的利用污泥基生物质水热炭吸附去除水中结晶紫染料的方法。
一种污泥基生物质水热炭吸附剂，其制备方法包括以下步骤：
将污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨，筛分至350-850μm，称取25-100g污泥颗粒，加400-475ml水配制泥水混合溶液，并用0.1mol/L的HCl和NaOH溶液调节上述泥水混合溶液的pH值至5-9，放入反应釜中，盖上反应釜盖，向反应釜中通氮气3分钟，使釜体中形成无氧环境，在180-240℃下反应3-9小时生成污泥基生物质水热炭，离心并用水清洗数次，干燥，即得到污泥基生物质水热炭吸附剂。
所述污泥是高碑店污水厂的剩余污泥，含水率达99.6％。
配制泥水混合溶液时固液比即污泥颗粒(g)：水(g)为1:19-1:4。
上述污泥基生物质水热炭吸附剂用于去除水中的结晶紫染料。
将污泥基生物质水热炭吸附剂加入到初始浓度为50-250mg/L的结晶紫染料水中，在10-30℃条件下震荡吸附24h，离心使固液分离。将液体收集到废液桶，统一处理。
上述污泥基生物质水热炭吸附剂用于去除水中结晶紫染料时，投加量优选2-10g/L，吸附温度优选20℃。
本发明的有益效果体现在：
(1)本发明的污泥基生物质水热炭吸附剂具有极好的吸附性能,对水中结晶紫有很高的去除率，20℃时可去除水中98％以上的结晶紫。
(2)与化学沉淀、膜分离、氧化还原、生物降解等方法相比，本发明的利用污泥基生物质水热炭吸附去除水中结晶紫染料的方法，操作简单，成本低廉，无二次污染，具有产业化前景。
(3)本发明制备的污泥基生物质水热炭吸附剂，不仅减轻了环境负荷，同时为城市污泥的利用提供了新途径，实现了污泥的资源化利用和水环境保护。
附图说明
图1为吸附剂投加量对污泥基生物质水热炭吸附去除结晶紫效果的影响。
图2为温度对污泥基生物质水热炭吸附去除结晶紫的影响。
图3为结晶紫初始浓度对污泥基生物质水热炭吸附去除结晶紫效果的影响。
图4为污泥基生物质水热炭吸附结晶紫的Langmuir吸附等温线。
图5为污泥基生物质水热炭的扫描电镜图片
具体实施方式
实例一：将污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨，筛分至350-850μm备用。称取50g污泥颗粒，加450ml水，用0.1mol/L的HCl和NaOH溶液将泥水混合溶液的pH值调至9，在180℃下反应3h，将产物取出后离心使固液分离，再用清水洗数次，将固体取出在105℃下干燥24h,得到1号污泥基生物质水热炭吸附剂，产率为44.80％。
取1号污泥基生物质水热炭吸附剂加入到初始浓度为150mg/L的结晶紫染料水中，吸附剂投加量分别为2、4、6、8、10g/L，即25ml结晶紫溶液分别对应0.05、0.10、0.15、0.20、0.25g吸附剂，在20℃条件下震荡吸附24h，离心使固液分离。将液体收集到废液桶，统一处理。
吸附剂投加量对结晶紫去除效果的影响如图1所示。
实例二：将污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨，筛分至350-850μm备用。称取50g污泥颗粒，加450ml水，用0.1mol/L的HCl和NaOH溶液将泥水混合溶液的pH值调至7，在180℃下反应3h，将产物取出后离心使固液分离，再用清水洗数次，将固体取出在105℃下干燥24h,得到2号污泥基生物质水热炭吸附剂，产率为44.50％。
取2号污泥基生物质水热炭吸附剂加入到初始浓度为150mg/L的结晶紫染料水中，吸附剂投加量为6g/L，即25ml结晶紫溶液对应0.15g吸附剂，分别在10、15、20、25、30℃条件下震荡吸附24h，离心使固液分离。将液体收集到废液桶，统一处理。
反应温度对结晶紫去除效果的影响如图2所示。
实例三：将污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨，筛分至350-850μm备用。称取100g污泥颗粒，加400ml水，用0.1mol/L的HCl和NaOH溶液将泥水混合溶液的pH值调至9，在180℃下反应3h，将产物取出后离心使固液分离，再用清水洗数次，将固体取出在105℃下干燥24h,得到3号污泥基生物质水热炭吸附剂，产率为46.20％。
取3号污泥基生物质水热炭吸附剂加入到初始浓度为50、100、150、200、250mg/L的结晶紫染料水中，吸附剂投加量为6g/L，即25ml结晶紫溶液对应0.15g吸附剂，在20℃条件下震荡吸附24h，离心使固液分离。将液体收集到废液桶，统一处理。
结晶紫初始浓度对结晶紫去除效果的影响如图3所示。
实例四：将污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨，筛分至350-850μm备用。称取100g污泥颗粒，加400ml水，用0.1mol/L的HCl和NaOH溶液将泥水混合溶液的pH值调至7，在180℃下反应3h，将产物取出后离心使固液分离，再用清水洗数次，将固体取出在105℃下干燥24h,得到4号污泥基生物质水热炭吸附剂，产率为45.60％。
取4号污泥基生物质水热炭吸附剂加入到初始浓度为50、100、150、200、250mg/L的结晶紫染料水中，吸附剂投加量为6g/L，即25ml结晶紫溶液对应0.15g吸附剂，分别在10、20、30℃条件下震荡吸附24h，离心使固液分离。将液体收集到废液桶，统一处理。
吸附结果用Langmuir吸附等温线拟合，10℃、20℃、30℃下的吸附等温线如图4所示，拟合参数如表1所示。从图4和表1可以看出，Langmuir模型对污泥基生物质水热炭吸附剂吸附结晶紫染料的等温吸附试验数据的拟合效果很好。从表1可以看出，污泥基生物质炭在高温下对结晶紫的吸附效果较好，表明本发明的工艺流程对操作条件及设备要求低，是一种经济、节约能源的处理含结晶紫水的方法，适于推广与应用。由Langmuir等温线计算得到30℃条件下污泥基生物质水热炭吸附剂对结晶紫的最大单分子层吸附量Q0是76.92mg/g，说明本发明的污泥基生物质水热炭吸附剂是一种去除水中结晶紫的廉价而高效的吸附剂。
实例五：将污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨，筛分至350-850μm备用。称取100g污泥颗粒，加400ml水，用0.1mol/L的HCl和NaOH溶液将泥水混合溶液的pH值调至5，在180℃下反应3h，将产物取出后离心使固液分离，再用清水洗数次，将固体取出在105℃下干燥24h,得到5号污泥基生物质水热炭吸附剂，产率为44.20％。
本实施例污泥基生物质水热炭的扫描电镜图片如图5所示，由图可看出，污泥基生物质炭的形态类似于疏松的絮体，可以看到具有发达的多孔结构，表面深浅不一，凹凸不平，十分粗糙，有利于吸附剂对污染物的吸附。
表1 Langmuir吸附等温线参数

Claims (4)

1.污泥基生物质水热炭吸附剂去除水中结晶紫染料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)污泥基生物质水热炭吸附剂的制备：将取回的曝气池回流污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨、筛分至350-850μm，配制污泥悬浮液，用HCl和NaOH调节pH为5-9，经反应釜在180-240℃下反应3-9小时生成污泥基生物质水热炭，离心并用水清洗数次，干燥，即得到污泥基生物质水热炭吸附剂；
(2)将得到的吸附剂加入到初始浓度为50-250mg/L的结晶紫染料水中，在10-30℃条件下震荡吸附24h，离心使固液分离，污泥基生物质水热炭吸附剂投加量为2-10g/L。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(1)中所述污泥悬浮液的固液质量比，污泥颗粒：水为1:19-1:4。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(2)中污泥基生物质水热炭吸附剂投加量优选6g/L。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，HCl或NaOH配置成0.1mol/L溶液加入。
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