污泥基陶粒制備及降解雙酚A的方法研究

摘 要：基于低碳環保理念，利用污泥資源化再生制備污泥基陶粒，并對水中雙酚A起到降解作用。其研究結果表明，污泥、蒙脫土、變性淀粉配比為7∶3∶2，用木薯變性淀粉制備的污泥基陶粒綜合性能最佳。用污泥基陶粒對水體中雙酚A進行降解試驗，通過單因素試驗得出最佳的反應條件：最佳反應時間為4h，污泥基陶粒最佳投加量為25g，對雙酚A降解率高達90%，循環再生利用可達4次，其降解率基本維持在70%。

關鍵詞：污泥基陶粒；雙酚A；降解

中圖分類號：X 70" 文獻標志碼：A

雙酚A是一種內分泌干擾物，會導致內分泌失調，威脅著胎兒和兒童健康，還會導致一些免疫、神經系統疾病、惡性腫瘤等[1]，易通過水體進入人體內，對生命健康產生不可估量的影響。雙酚A廣泛應用于包裝材料上，這也引起了各國對食品及各種包裝材料的廣泛關注[2]。目前對雙酚A的主要處理方法為物理吸附法、生物法、高級氧化法[3-4]，能否對其進行高效處理是需要進一步探索的問題。通過綜合考慮，結合城市污泥特性，有機物含量高，易腐化發臭，處置不當極易對自然環境造成影響[5-6]。因為有機質含量高，所以制備的污泥基陶粒對水中雙酚A能起到吸附降解的作用，很大程度上緩解了生活污泥對環境產生的壓力[7-9]。這不僅解決了污泥過量帶來的環境問題，還解決了水環境中雙酚A帶來的危害，對改善環境具有重要意義。

1 試驗部分

1.1 儀器設備

DHG-9140A型電熱鼓風干燥箱，UV-5100型紫外可見分光光度計，MiniFlex600-C型 X射線衍射儀，IR-1S型傅里葉變換紅外光譜儀，DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器。

1.2 污泥基陶粒制備及降解雙酚A的測試方法

制備污泥基陶粒：根據不同配方稱取污泥、蒙脫土、變性淀粉放置于燒杯中，加入適量水，制成泥狀，再制備相應粒徑污泥基陶粒，風干24h，選取適宜碳化溫度、燒結時間制備污泥基陶粒。

稱取適量污泥基陶粒裝入酸式滴定管中，再將適量雙酚A測試液勻速滴定酸式滴定管中，根據不同影響因素進行設計，反復滴定直至吸附飽和狀態，取上清液用紫外可見分光光度計測定雙酚A的吸光度，繪制雙酚A溶液標準工作曲線，計算濃度和降解率，并設置平行樣和空白試驗對照。

2 試驗結果與討論

2.1 不同碳化溫度制備污泥基陶粒

隨著碳化溫度不斷升高，污泥基陶粒的碳化程度會加深。當碳化溫度在200℃～300℃時，污泥基陶粒表面完全碳化，其內部不完全碳化，中心部位仍出現污泥原始的褐色。當碳化溫度為350℃時，污泥基陶粒內外均呈現黑色，表明該溫度下污泥基陶粒完全碳化。當碳化溫度為400℃時，污泥基陶粒內部呈現黑色，但表面出現灰化現象，表明該溫度條件下污泥基陶粒過度碳化。適當提升碳化溫度，可以使胚料中的有機物充分分解，有利于污泥基陶粒膨脹，增加陶粒比表面積及活性位點的裸露，從環境經濟性上分析，污泥基陶粒在350℃條件下碳化最合適。不同碳化溫度制備污泥基陶粒成型情況如圖1所示。

2.2 不同配比對雙酚A降解的影響

由圖2可知，隨著變性淀粉增加，雙酚A的降解率也隨著增加并逐漸趨于平穩。當污泥、蒙脫土、變性淀粉比例為7∶3∶0.5時，降解率僅為10.1%，添加的淀粉量較少會導致偏硬不易成型，不利于陶粒制備，且燒結后，相對比表面積較小。當淀粉含量為1～2時，其降解率由28.3%增至54.4%，說明隨著淀粉量增加，糊化效果較好，混勻較快，有利于污泥基陶粒制備，且燒結后淀粉容易碳化，形成較多微細空隙增加陶粒的比表面積，碳化效果較為明顯，有利于陶粒表面的羥基自由基裸露，提高其對水中雙酚A的吸附降解效率。當變性淀粉含量增至2.5～3時，其吸附降解效果基本維持在相對平穩的狀態，降解率約為54%，糊化效果明顯，因此易于陶粒成型，但淀粉過多也會導致碳化的穩定性變差，其有效的羥基自由基活性位點未出現明顯增加，導致降解效果未提升。

綜上所述，從環境經濟效益方面來看，選取污泥、蒙脫土、變性淀粉配比為7∶3∶2最合適，其降解率為54.4%。

對不同品種變性淀粉材料進行探究，其中以木薯變性淀粉對雙酚A的吸附降解效果最佳，其降解率高達65.3%，而馬鈴薯淀粉、羥丙基淀粉、支鏈淀粉、玉米淀粉的降解率分別為56.7%，57.2%，58.7%，56.7%，木薯變性淀粉通過變性消除黏性，在陶粒燒結過程中，陶粒內部容易產生疏松結構，增加了污泥基陶粒的空隙及比表面積，便于羥基自由基活性位點保存及裸露，從而給雙酚A分子提供了更多的接觸反應時間與空間，提高了其吸附能力。綜上所述，變性淀粉選取木薯淀粉對水中雙酚A的吸附降解效果最佳，其降解率為65.3%。

2.3 不同降解時間對雙酚A降解的影響

由圖3可知，在相同的試驗條件下，反應時間與降解效果成正比，趨勢從上升到平穩。當反應時間為1h時，雙酚A降解率最低，為18.8%，說明反應時間不充分，溫度較低，反應速度慢，導致降解率最低。當反應時間增至4h時，污泥基陶粒對水中雙酚A降解效果呈現上升趨勢，其降解效果達到最佳，為71.4%，說明適當延長反應時間，對整個吸附降解反應過程起促進作用。污泥基陶粒降解雙酚A，開始時是以物理吸附為主，化學吸附為輔，因此短時間是通過陶粒表面的空隙通道截留雙酚A，快速降低水中的雙酚A含量，但吸附率不高，需要足夠的接觸時間，轉為更穩定的化學吸附，通過陶粒表面的羥基自由基活性位點進一步捕獲雙酚A，隨著反應時間增加，吸附降解效果越好，最終達到吸附飽和狀態，此時降解率達到最高。隨著時間延長到5h，降解率也不再提高。綜上所述，從環境經濟效益和能源效益上分析，污泥基陶粒反應降解雙酚A最適時間為4h。

隨著污泥基陶粒投加量增加，雙酚A 的降解率也隨之提高。當陶粒從5g增至10g時，降解率提高了26%，說明投加量較少時，與雙酚A有效接觸位點較佳，吸附降解效果越好。隨著陶粒質量增加，每增加5g～25g，其降解率達到90.6%，同時降解率增加幅度逐漸降低，說明反應速率變緩，當雙酚A的濃度降至一定值時，影響其總體吸附降解率，而隨著陶粒投加量增加，反應時間也會相應延長，綜合效率反而下降，結合吸附降解速率與時間的關系，再增加陶粒投加量的意義不大。綜上所述，最佳投加量為25g。

2.4 陶粒循環再生對雙酚A降解的影響

由圖4可知，對陶粒進行活化再生處理后，均有較高的再吸附降解能力，重復吸附降解的效率相對較好，基本維持在73%，與第一次產品運用時相比，降解率高達90%，也是相對可觀的，整體而言，該處理對環境保護作用及低碳環保具有深遠的意義。因此再生過程中的表面相對孔隙有利于維持羥基自由基等活性位點的活性，便于再生利用，實現更高的經濟價值。約 180℃時，雙酚 A 會發生分解，因此在活化過程中，也要避免雙酚A逃逸對其他環境產生二次污染，通過馬弗爐煅燒能夠有效減少雙酚A二次污染。污泥基陶粒重復第五次后，其陶粒表面出現融化與坍塌的現象，不利于回收再生，且反應后溶液有點渾濁。

綜上所述，從環境效益上分析，污泥基陶粒重復回收4次最合適，其降解率約為70%。

2.5 污泥基陶粒XRD表征

由圖5可知，污泥基陶粒主要含有SiO2、Fe2O3、Al2O3、Al（OH）3等無機物質，這些物質主要是由污泥、蒙脫土含有的無機化合物經燒結產生的。其中，SiO2峰形尖銳最明顯，說明其結晶度高。Fe2O3峰形較弱，說明含量較低和結晶度不佳。Al（OH）3表現出明顯的寬峰形態，說明污泥中有機質成分活性位點與其OH-之間可能形成氫鍵、范德華力等分子間作用導致峰形變弱變寬，且其他無機質成分中大量存在氧活性位點，均有利于羥基自由基的生成，同時鐵離子、鋁離子具有一定催化作用，能夠有效增強雙酚A的吸附降解效果。

3 結論

本文根據以廢治廢的理念，利用污泥中有機質含量高的特征，根據不同配方將污泥、蒙脫土和木薯變性淀粉按比例輔配用于制備污泥基陶粒，通過燒結碳化過程，有效降低有機質成分以促進羥基自由基的生成及空隙通道形成，并利用淀粉碳化增加陶粒的比表面積，開發了一種高效、穩定大孔復合材料，并探究對雙酚A吸附降解的效應，對雙酚A的降解率高達90%，循環再生利用可達4次，降解率基本維持在70%，以此實現低碳環保，達到以廢制廢的目標，為今后相關研究提供一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] 單菲菲，吳茵茵.環境雙酚A與生殖系統惡性腫瘤相關性的研究現狀與進展[J].健康研究，2018，38（5）：532-537.

[2] 張文德.食品及包裝材料中雙酚A的殘留和檢測方法[J].理化檢驗-化學分冊，2001，37（4）：188-190.

[3] ZHANG Y，WANG F，ZHANG D，et al. New type multifunction"porous aerogels for supercapacitors and absorbents based on cellulose"nanofibers and graphene[J]. Materials Letters，2017，208（1）：73-76.

[4] 徐婷婷.綠色納米鐵/H2O2的類芬頓法降解間甲酚和雙酚A[D].太原：太原理工大學，2020.

[5] 余杰，魚紅霞，杜義鵬，等.城市垃圾焚燒廠直接摻燒城市污泥處置技術及其污染控制[J].環境工程學報，2020，14（11）：3155-3161.

[6] 秦晴，張新喜，邱高，等.城市污泥處理與資源化技術研究進展[J].廣東化工，2022，49（15）：134-136.

[7] 劉鵬鵬.城鎮污水處理廠污泥資源化利用技術研究[J].科技與創新，2022（22）：36-38，42.

[8] 曹迎紅.污水處理廠污泥處理資源化利用技術分析[J].資源節約與環保，2020（5）：94.

[9] 韓露.新型污泥陶粒的制備及其在污水處理中的應用[D].鄭州：鄭州大學，2018.

通信作者：蔡聰育（1986-），男，漢族，福建仙游人，碩士，講師，研究方向為水環境治理及固廢高質化利用。

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