污泥混合核桃殼炭的制備及其對土壤中Cr(VI)吸附性能的研究*

雍青林，嚴 云，李濤生，王羽嬌

(西昌學院資源與環(huán)境學院， 四川 西昌 615013)

我國是一個資源大國，其中礦產(chǎn)資源較為豐富，其開發(fā)利用對于經(jīng)濟的發(fā)展具有重要支撐作用。隨著對礦產(chǎn)資源的開發(fā)，對礦山周圍的土地也會造成污染，破壞當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，造成土地資源的浪費[1]；礦山周圍土地污染主要是由于開發(fā)過程中礦物的堆放和礦物揚塵等引起，礦物中重金屬進入土壤，土壤受到破壞[2]。因此治理廢棄礦山土地的關(guān)鍵在于對礦山土地中的重金屬進行降解。目前對于重金屬的處理主要有植物富集、吸附法和電解法等，其中吸附法的成本低、操作簡單、磁化后容易回收是常用的方法之一[3-4]。

吸附法主要是通過運用不同材料制備的生物炭對重金屬進行吸附，降低土壤中的重金屬含量。隨著人口的不斷增加，城市污水也不斷增加，為了解決城市污水問題，越來越多的污水處理廠隨之興建，活性污泥產(chǎn)量不斷增大。在國內(nèi)對于污泥活性炭主要從其制備、混合其他材料得到新的吸附材料后，對重金屬進行吸附。張偉等[5]采用城市污泥制備污泥活性炭對水中六價鉻的吸附進行了研究，邵玲等[6]采用APTES對污泥活性炭進行改性后對水中鉛的吸附進行了研究。

本研究選用西昌邛海污水處理廠的污泥作為原料，加入一定比例的核桃殼粉，制備污泥混合生物質(zhì)炭，再對礦山廢棄地土壤中Cr(VI)進行吸附，并研究其吸附參數(shù)的影響。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

試劑：重鉻酸鉀，二苯碳酰二肼，三氯化鐵，氯化鋅，丙酮，氫氧化鈉，鹽酸，硫酸，磷酸(所以試劑均為分析純)。

儀器：TGL-16G高速臺式離心機，上海安亭科學儀器廠；FW-400A傾斜式高速萬能粉碎機，北京中興偉業(yè)儀器有限公司；HZQ-X100A數(shù)控型恒溫培養(yǎng)振蕩器,上海一恒科學儀器有限公司；UV-7504C紫外可見分光光度計,上海精科天美科學儀器有限公司；SX2-15-12馬弗爐,東臺市宏祥電爐制造有限公司；FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀,天津港東科技發(fā)展股份有限公司；實驗用水為去離子水。

1.2 活性炭制備方法

實驗所用的核桃殼購自西昌市安寧鎮(zhèn)菜市場。先用自來水洗去表面粘附的灰塵、砂礫，再用去離子水浸泡 2～3 h，80 ℃烘干后粉碎過篩，選出粒徑在 60～80 目(0.2～0.3 mm)的顆粒，用 0.1 mol/L 的 HCl 溶液酸洗去除懸浮細小雜質(zhì)，再用去離子水清洗至中性，放入干燥箱中于 80 ℃下烘干。

污泥從邛海污水處理廠采集得到，其含水量為5%，揮發(fā)份54.3%，灰分為35.4%，將污泥放與烘箱，80 ℃烘干后粉碎過篩，選出粒徑在 100 目(0.5 mm)的顆粒。

按照污泥質(zhì)量比為60%，核桃殼質(zhì)量為40%的比例混勻[7-9]；按照1:2.5的固液比，加入配置好的4 mol/L的氯化鋅溶液攪拌1小時，靜置1h，放入烘箱中烘干，放入馬弗爐中在600 ℃下煅燒1 h，取出自然冷卻；再用鹽酸和蒸餾水洗滌烘干。

1.3 土樣制備

供試土壤取自當?shù)氐V山廢棄地，土壤取樣深度為 0～20 cm，去掉動植物殘骸、硬石塊等雜物，混勻后，采用四分法，取土壤 3 kg，于陰涼處風干，研磨，過100目尼龍分樣篩后，裝入廣口瓶內(nèi)密封備用。

1.4 吸附實驗

精確稱取于 110 ℃下干燥 2 h 的重鉻酸鉀(K2Cr2O4，分析純)(0.2829±0.0001) g， 用水溶解后，移入 1000 mL 容量瓶中，用水稀釋至標線，搖勻。可稀釋成試驗所需的相應(yīng)濃度。投加供試土樣 5 g 于 250 mL 錐形瓶中。按水土比 1：10 準確移加 K2Cr2O4溶液(含 0.01 mol/L的 KCl 作平衡電解質(zhì))溶液 50 mL，混合均勻。于 200 r/min 的氣浴恒溫搖床中振蕩后，以 4000 r/min 高速離心 10 min，取上清液。

1.5 分析方法

采用二苯碳酰二肼分光光度法[10-11](GB/T 15555.4-1995)于 540 nm 波長下測定溶液吸光度，再由標準曲線上查得殘留Cr(VI) 的質(zhì)量濃度，求算 Cr(VI) 吸附率。

按下列公式計算去除率:

其中，C0、Ce分別是土壤溶液中 Cr(VI)的初始和平衡濃度，單位為 mg/g。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥混合核桃殼炭的添加量對土壤中Cr(VI)去除率的影響

分別投放污泥混合核桃殼炭 0.05、0.1、0.15、0.25、0.35、0.5 g(即干土的 1%、2%、3%、5%、7%、10%)于錐形瓶中混合均勻，移取 40 mg/L 的 Cr(VI)溶液，在 30 ℃、200 r/min 的數(shù)控恒溫氣浴搖床中振蕩 120 min 后，取樣測定殘留 Cr(VI)濃度。

由圖1可以看出隨著污泥混合核桃殼炭的投加量的增加，土壤中Cr(VI)的去除率逐漸上升的趨勢，當污泥混合核桃殼炭的投加量增加到0.35 g，去除率達到最大值96.8%，隨后去除率隨炭量的增加而下降。研究表明這主要是因為隨著活性污泥混合核桃殼炭量的增加，可以提供較多的吸附點位，所以去除率隨著投炭量的增加而增加，但是當吸附劑的用量達到飽和以后，土壤中Cr(VI)的去除率不在發(fā)生明顯的變化，主要原因可能是吸附劑達到吸附平衡以后，再增加吸附劑的用量只是增加了無效的點位[12]。

圖1 炭投加量對去除率的影響

2.2 污泥混合核桃殼炭的震蕩時間對土壤中Cr(VI)去除率的影響

由圖2可知，隨著震蕩時間的增加，污泥混合核桃殼炭對土壤中的 Cr(VI)吸附率呈上升趨勢，在震蕩時間達到120 min時去除率達到最大值96.8%，隨后去除率出現(xiàn)下降的趨勢。原因可能是在吸附的初始階段主要是物理吸附，但是隨著震蕩時間的增加化學吸附占主導地位，溶液分子和吸附劑表面具有排斥力，當達到最佳吸附效果后，就很難再進行吸附[13]。所以本次實驗選取120 min作為最佳吸附時間，進行吸附實驗。

圖2 震蕩時間對吸去除率的影響

2.3 污泥混合核桃殼炭的初始濃度對土壤中Cr(VI)去除率的影響

由圖3可以看出，污泥活性混合核桃殼炭對Cr(VI)的吸附隨初始濃度增加增加，當溶液初始濃度為100 mg/L時去除率達到了96.8%，之后去除率下降，研究表明可能是在初始濃度較低的時候，吸附劑點位不能達到飽和，吸附只發(fā)生在吸附劑表明，隨著濃度的增加，當吸附劑表面飽和以后，水中Cr(VI)圍繞在吸附劑周圍，促使去除率下降[14]。因此本次實驗選取100 mg/L作為實驗的初始濃度。

圖3 溶液初始濃度對去除率影響

3 結(jié) 論

以添加污泥混合核桃殼炭的對土壤Cr(VI)吸附為研究，各參數(shù)影響實驗表明在炭投加量為0.35 g，震蕩時間為120 min，初始濃度為100 mg/L時的去除率為96.8%。本研究中選取西昌邛海污水處理廠的污泥作為原料，加入一定比例的核桃殼粉，制備污泥混合生物質(zhì)炭，原材料來源廉價且廣泛，對土壤中Cr(VI)的去除率相對較高，為礦山廢棄地的修復(fù)找到了一種適宜的吸附材料。