污泥活性炭對莠去津的吸附性能研究

摘要：除草劑使用后殘留的莠去津對土壤造成嚴重污染，影響土壤的正常功能，而剩余污泥是城市污水處理廠產生的二次污染物，二者都是目前需要解決的環境問題。為研究污泥活性炭對除草劑中莠去津的吸附能力，以城市污水處理廠剩余污泥為原料，以表面活性劑（F127）為活化劑，制備改性污泥活性炭，并探究其對莠去津的吸附性能。結果表明，污泥活性炭對莠去津的吸附符合偽二級動力學模型，最大吸附量為3.47 mg/g。等溫吸附試驗結果表明，污泥活性炭對莠去津的吸附符合Frendlich模型，最大去除率和最大吸附量分別為66%和2.86 mg/g。吸附熱力學試驗結果表明，F127改性污泥活性炭溫度越低，吸附效果越好，溫度影響較大。

關鍵詞：莠去津；吸附；污泥活性炭；表面活性劑

中圖分類號：X592；S482.4 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）04-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.04.009

Study on the adsorption performance of sludge activated carbon for atrazine

CHEN Qu， ZHANG Xiaoyu

（Hohhot Minzu College， Hohhot 010051， China）

Abstract： The residual atrazine after herbicide use causes serious pollution to the soil， affecting its normal function， and the remaining sludge is a secondary pollutant generated by urban sewage treatment plants， and both are environmental problems that need to be addressed at present. In order to study the adsorption capacity of sludge activated carbon for herbicide atrazine， this study prepares modified sludge activated carbon using residual sludge from urban sewage treatment plants as raw material and surfactant （F127） as activator， and explores its adsorption performance for atrazine. The results show that the adsorption of atrazine by sludge activated carbon follows a pseudo second order kinetic model， with a maximum adsorption capacity of 3.47 mg/g. The isothermal adsorption test results show that the adsorption of atrazine by sludge activated carbon conforms to the Frendlich model， with a maximum removal rate and maximum adsorption capacity of 66% and 2.86 mg/g， respectively. The adsorption thermodynamic test results show that the lower the temperature of F127 modified sludge activated carbon， the better the adsorption effect， and the temperature has a significant impact.

Keywords： atrazine; adsorption; sludge activated carbon; surfactant

目前，除草劑廣泛應用于農業生產中，其中殘留的莠去津對土壤造成嚴重污染，影響土壤的正常功能。剩余污泥是城市污水處理廠產生的二次污染物，若不加以妥善處理，隨意排放，則會造成二次污染。Meyer等[1]總結不同制備方法對活性炭性質的影響，包括熱解、氣化、水熱和閃蒸炭化；Ahmad等[2]總結活性炭在水體和土壤修復中的應用研究進展。研究表明，對活性炭進行改性，可以提高活性炭對目標污染物的吸附性能[3]。因此，本文采用表面活性劑對污泥活性炭進行改性，研究其對土壤中莠去津的去除效果。

1 試驗材料與方法

1.1 試劑及儀器

剩余污泥取自呼和浩特市公主府污水處理廠二沉池。主要試劑有2種，即表面活性劑（F127）和莠去津。主要儀器有7種，即電熱恒溫水浴鍋、精密電子分析天平、臺式低速離心機、電熱鼓風干燥箱、紫外可見分光光度計、高溫管式氣氛爐和掃描電子顯微鏡。

1.2 污泥活性炭制備

一是未改性污泥活性炭的制備。將取自公主府污水處理廠二沉池的剩余污泥置于干燥箱中烘干，得到干污泥，經計算，污泥含水率為81.5%。將干污泥研磨過篩（篩網孔徑0.178 mm）后，置于管式爐中進行高溫熱解（溫度500 ℃，時間2 h），備用。二是改性污泥活性炭的制備。將取自公主府污水處理廠二沉池的剩余污泥置于干燥箱中烘干并研磨過篩（篩網孔徑0.178 mm），然后采用F127作為活化劑，制備出浸漬比為1∶1的改性污泥。將改性污泥置于管式爐，550 ℃高溫下熱解2 h，備用。

1.3 污泥活性炭的吸附試驗

1.3.1 未改性污泥活性炭吸附試驗

取未改性污泥活性炭0.5 g置于100 mL的莠去津溶液（濃度10 mg/L）中，在磁力攪拌器攪拌（轉速580 r/min）下進行動態吸附試驗，每間隔30 min取樣，然后置于離心機離心（轉速2 000 r/min）10 min，過濾，用紫外可見分光光度計在波長225 nm處測其吸光度，記錄數據，直至吸附達到平衡。

1.3.2 改性污泥活性炭吸附試驗

取改性污泥活性炭0.5 g置于100 mL的莠去津溶液（濃度10 mg/L）中，在磁力攪拌器攪拌（轉速580 r/min）下進行動態吸附試驗，每間隔30 min取樣，然后離心、過濾并測其吸光度，記錄數據，直至吸附達到平衡。另外，開展3組改性污泥活性炭吸附試驗。一是吸附動力學試驗。燒杯中加入100 mL莠去津溶液（濃度10 mg/L）和0.3 g改性污泥活性炭，在磁力攪拌器攪拌（轉速580 r/min）下進行動態吸附試驗。二是吸附熱力學試驗。取3個燒杯，分別加入100 mL莠去津溶液（濃度10 mg/L）和0.3 g改性污泥活性炭，在磁力攪拌器攪拌（轉速均為580 r/min，溫度分別為10 ℃、20 ℃、35 ℃）下進行動態吸附試驗。三是等溫吸附試驗。取8個燒杯，分別加入100 mL不同濃度的莠去津溶液和0.3 g改性污泥活性炭，在磁力攪拌器攪拌（轉速580 r/min，時間3.5 h）下進行動態吸附試驗。

2 試驗結果分析

2.1 改性前后污泥活性炭吸附效果對比

分別利用未改性污泥活性炭和改性污泥活性炭對莠去津溶液進行吸附處理，其濃度變化如表1所示。結果顯示，改性污泥活性炭對莠去津的吸附性能遠遠大于未改性污泥活性炭。在相同條件下，未改性污泥活性炭和改性污泥活性炭對莠去津的最大吸附量分別為1.49 mg/g、3.24 mg/g，改性后比改性前提高1.75 mg/g。未改性污泥活性炭和改性污泥活性炭對莠去津的最大去除率分別為44.8%、97.1%，改性后比改性前提高52.3%。

2.2 改性污泥活性炭吸附試驗結果分析

2.2.1 吸附動力學試驗

如圖1所示，改性污泥活性炭對莠去津溶液進行吸附處理時，前期吸附速率較快，后期吸附速率較慢，直至吸附達到平衡。試驗結果顯示，吸附2.5 h時，莠去津去除率大于99%，最大吸附量為3.47 mg/g。采用偽二級動力學模型來擬合改性污泥活性炭對莠去津的吸附過程，此吸附過程為表面吸附。根據擬合吸附動力學模型數據分析，偽二級動力學模型擬合獲得的相關系數接近0.99，其計算的最大吸附量為3.515 mg/g，與試驗結果3.47 mg/g接近。

2.2.2 吸附熱力學試驗

如圖2所示，隨著溫度的升高，改性污泥活性炭對莠去津的吸附量會逐漸降低。溫度分別為10 ℃、20 ℃和35 ℃時，改性污泥活性炭對莠去津的最大吸附量分別為1.96 mg/g、1.67 mg/g和1.33 mg/g。數據表明，低溫環境可以提高改性污泥活性炭的吸附性能，原因可能是F127具有較低的凝點，在低溫下流動性好，高溫會破壞其化學結構。

2.2.3 等溫吸附試驗

如圖3所示，隨著莠去津溶液的濃度增加，改性污泥活性炭的吸附量會逐漸增大。但是，當莠去津濃度高于13 mg/L時，吸附量增加緩慢，甚至不再變化。由此可知，改性污泥活性炭投加量為0.3 g，莠去津濃度為13 mg/L時，吸附效果最佳，其去除率和吸附量均達到最大，分別為66%和2.86 mg/g。運用Freundlich模型和Langmuir模型擬合污泥活性炭對莠去津的等溫吸附過程，其中Freundlich模型擬合方程的相關系數為0.852 8，經該模型計算，污泥活性炭對莠去津的最大吸附量為2.965 mg/g，與試驗結果2.86 mg/g接近。因此，改性污泥活性炭對莠去津的等溫吸附過程符合Freundlich模型。

3 結論

試驗以F127為活化劑，以污水處理廠剩余污泥為原料，制備出改性污泥活性炭，并考察其對莠去津的吸附性能。在相同條件下，改性污泥活性炭對莠去津的最大吸附量為3.24 mg/g，最大去除率為97.1%，相比改性前的44.8%，改性后提高52.3%。經掃描電子顯微鏡分析，與未改性污泥活性炭相比，改性污泥活性炭孔密度增多，吸附能力得到提高。吸附動力學過程符合偽二級動力學模型，吸附形式為表面吸附，吸附2 h時，莠去津去除率超過99%，最大吸附量為3.47 mg/g。等溫吸附過程符合Freundlich模型，改性污泥活性炭投加量為0.3 g，莠去津濃度為13 mg/L時，吸附效果最好，此時改性污泥活性炭對莠去津的去除率和吸附量均達到最大，分別為66%和2.86 mg/g。吸附熱力學試驗說明，溫度越低，改性污泥活性炭吸附效果越好。

參考文獻

1 Meyer S，Glaser B，Quicker P.Technical，economical，and climate-related aspects of biochar production technologies：a literature review[J].Environmental Science amp; Technology，2011（22）：9473-9483.

2 Ahmad M，Rajapaksha A U，Lim J E，et al.Biochar as a sorbent forcontaminant management in soil and water：a review[J].Chemosphere，2014（3）：19-33.

3 Wang S，Zhao M，Zhou M，et al.Biochar-supported nZVI（nZVI/BC）for contaminant removal from soil and water：a critical review[J].Journal of Hazardous Materials，2019（5）：820-834.