印染污泥—木屑混合制备活性炭及其对刚果红吸附性能的研究

摘要

印染企业的污水需经过一系列复杂的物理-化学和生物处理才能够达标排放，不可避免的会产生大量印染污泥。近年来印染行业已迅速发展为我国支柱产业，印染污泥的产量也逐年增加。印染污泥的的污染特性与印染废水的种类、处理工艺等密切相关。印染废水性质的多样化导致印染污泥水质十分复杂，这使得印染污泥的处理处置十分困难。因此，为印染污泥寻求有效的处理处置及综合利用方法，已成为当前亟待解决的问题。在寻求污泥资源化的途径之前，研究不同印染污泥的性质以及其污染特征同样重要。目前国内外缺乏系统、全面的对印染污泥污染特性的研究，印染污泥性质波动大，如果不对其基本性质以及污染特性有一个全面的理解，将不利于印染污泥的资源化利用。
　　本论文以广东省9个不同印染厂家的污泥为研究对象，研究了印染污泥的含水率、有机物含量、元素分析、热值分析等物理化学性质。应用微波消解-火焰原子吸收分光光度法测定了印染污泥中六种重金属元素Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Pb的总量，采用重金属形态分析中的三步连续提取法(BCR法)对印染污泥中Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Pb的化学形态进行逐级提取。最后采用PCA分析和聚类分析的方法对重金属污染水平印染污泥的性质规律进行了研究。在全面了解印染污泥性质后，由于污泥中的含碳量较高，而制备活性炭是一种产品附加值高的资源化利用方式，本研究中采用印染污泥与木屑混合为原料，以NaOH为活化剂，碳化-活化工艺制备活性炭。实验采用单因素法对污泥木屑混合比、前处理工艺条件、活化温度、活化时间、升温速率、活化剂配比等条件进行了优化。在原有优化基础上，采用相应曲面法对活化温度、活化时间和活化剂/基质比三个因素进行了进一步优化，并采用中心复合设计(Centralcomposite design，CCD)建立了相应的二次方程。在最优条件下制备的活性炭产品，采用扫描电镜法分析其表面特征，并采用全自动比表面积与孔径分析仪ASAP-2020通过N2的吸附实验对泥活性炭的孔隙结构进行了分析。最后研究了产品炭对刚果红模拟染料废水对吸附过程，采用热力学方程与动力学方程对吸附过程进行拟合，并研究其吸附机理。研究结果如下:
　　印染污水厂的污泥有机物含量要低于普通市政污水厂的污泥，含水率和热值也略低于市政污水厂污泥，内含大量无机絮凝剂。生化-混凝工艺的污泥有机物含量为50％，要高于混凝-生化工艺污泥的30％。印染污泥中重金属浓度排序为Zn＞Cu＞Ni＞Cr＞Cd＞Pb。其中样品S4中的Cd，样品S3和S1中的Ni超过了我国GB18918-2002中规定的污泥重金属准许排放浓度。印染污泥中重金属形态波动很大，按其生物可利用性排序如下:Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞Cd。印染的Ni广泛分布于四种重金属形态中，比其他污泥中Ni的赋存形态更为稳定。
　　印染污泥能被NaOH制备成为高比表面积的活性炭，在最优条件为污泥木屑比1∶1，氮气流量500 mL/min，活化温度739℃，升温速率6.59℃/min，NaOH基质比为2.51的条件下能制备出比表面积为1617.70m2/g、碘吸附值为1518.89mg/g的活性炭，高于商品炭的400-1500m2/g。灰分在活性炭中呈惰性物质存在，制备时应尽量减少灰分含量。基质的研磨与印染污泥的粒径大小对活性炭性能影响不大。
　　印染污泥对刚果红的实验饱和吸附量随着温度的升高而升高，为吸热过程，最高可达到31.9 mg/g，印染污泥/木屑活性炭对刚果红的吸附为吸热过程。热力学吸附图线形状较符合吸附等温线中的(I)型吸附等温线，能很好的与Langmuir方程模型方程拟合。修正准一级线性拟合方程对产品炭吸附刚果红过程的拟合程度最高内粒传质阻力在产品炭对刚果的吸附阶段占主导作用，刚果红在本研究的产品炭中的吸附过程是物理过程，不伴随化学反应的发生。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 印染污泥特征及重金属研究现状

1．2．1 污泥的来源

1．2．2 印染污泥的特质及危害

1．2．3 污泥中重金属含量及其赋存形态

1．3 印染污泥处理处置

1．3．1 污泥填埋

1．3．2 污泥的土地利用

1．3．3 污泥的焚烧

1．3．4 海洋排放

1．3．5 污泥干化

1．3．6 污泥资源化新技术

1．4 污泥制备活性炭的研究进展

1．4．1 污泥活性炭的制备工艺研究进展

1．4．2 污泥活性炭的应用状况研究进展

1．5 本文研究目标及主要研究内容

1．5．1 研究目的与意义

1．5．2 研究内容和路线

1．5．3 论文创新性

第二章 实验材料、仪器和方法

2．1 样品来源及预处理

2．2 实验试剂及仪器

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验所用主要仪器

2．3 污泥基本性质的分析测试

2．3．1 污泥基本性质的分析

2．3．2 重金属总量分析

2．3．3 重金属形态分析

2．4 活性炭的制备及性能检测

2．4．1 活性炭的制备

2．4．2 活性炭性质分析

2．4．3 活性炭的静态吸附实验

2．5 实验数据分析及处理

第三章 印染污泥基本性质及重金属形态研究

3．1 印染污泥基本性质分析

3．2 印染污泥中重金属总量

3．3 印染污泥重金属形态分析

3．4 多变量分析

3．4．1 聚类分析

3．4．2 主成分分析

3．5 本章小结

第四章 污泥活性炭的制备与表征

4．1 单因素实验结果分析

4．1．1 印染污泥／木屑混合比例对吸附性能的影响

4．1．2 前处理对吸附性能的影响

4．1．3 活化过程对吸附性能的影响

4．2 响应曲面法优化结果与分析

4．2．1 因素选取及实验方案

4．2．2 碘吸附值的响应曲面分析

4．2．3 最优工艺的确定

4．3 最优工艺下活性炭的性质

4．3．1 污泥／木屑基活性炭的扫描电镜分析

4．3．2 污泥／木屑基活性炭的比表面积和孔隙结构分析

4．4 本章小结

第五章 污泥炭对刚果红的吸附特性研究

5．1 刚果红标准曲线

5．2 吸附剂投加量对吸附效果的影响

5．3 pH值对吸附效果的影响

5．4 刚果红的吸附热力学分析

5．5 刚果红的吸附动力学分析

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

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致谢