城市污泥中腐殖酸的提取工艺及其性能研究

摘要

本文以某大型污水处理厂污泥处置系统消化前、后两个工段排放的剩余活性污泥为原料，采用碱溶酸析超声波辅助提取工艺，提取污泥腐殖酸（HA），并对纯化后产品的性能进行分析研究。
　　以HA提取率作为考察指标，考察泥碱比、活化剂用量、碱液浓度、提取温度、超声功率、提取时间以及酸析终点pH对HA提取效果的影响；以单因素实验中对提取效果影响较大的几个条件为因素，设计正交实验优化提取工艺，经验证得出：消化前HA最佳提取工艺为:NaOH浓度0.6 mol/L、超声时间10 min、超声功率312.5 W、酸析至pH=1.5，在此条件下，消化前HA的提取率为90.3％，HA质量分数为81.30%；消化后HA最佳提取工艺为：NaOH浓度0.3 mol/L、10%HCl加入量7.5 mL，提取温度30℃，酸析至pH=2.5，此时消化后HA的提取率为92.3%，HA质量分数为83.12%。
　　采用红外光谱、元素分析、扫描电镜、凝胶色谱、紫外-可见光谱以及凝聚限度分析，对纯化后两种HA产品性能进行研究。结果表明，两种HA均由C、H、O、N、S五种元素组成，结构中含有大量的酚羟基、醇羟基、硝基等芳香族和脂肪族化合物，消化前和消化后HA的重均相对分子量分别为27095和25156,与矿源HA相比，污泥HA含有的官能团种类更多，比如：肽键、磺基、醚键、酰胺等，分子量更小，因此污泥HA具有生化腐殖酸的表观特征。两种HA表面疏松粗糙，具有很大的孔隙度，此结构可以为吸附以及其他用途提供有利的空隙和通道。两种HA的紫外光谱是单调而无特征性的，只在210 nm附近有一个来自于芳香结构的吸收峰。污泥HA与矿源HA相比，污泥HA分子中含有更多的芳香基团，而矿源HA则含有更多的脂肪链结构。消化后HA分子中的含氧官能团含量大于消化前HA以及以土壤和沉积物为原料提取的HA；经过微生物的厌氧消化过程，消化后HA的腐殖化程度较消化前的升高，性质也更稳定。两种HA的絮凝极限值分别为20.0 mmol/L和38.8 mmol/L，比较矿源HA，污泥HA对电解质具有更好的稳定性和更强的抗硬水能力。
　　采用热重分析法（TG-DTG）对消化后污泥HA的热分解行为及动力学规律进行研究，利用Flynn-Wall-Ozawa积分法、Kissinger最大速率法和?atava-?esták积分法对热分解的非等温数据进行分析。结果表明，污泥HA的热分解过程主要发生在473.15~773.15 K，且分为两个阶段；第一阶段的热分解过程满足机理函数Avrami-Erofeev(n=3)方程，积分表达式为：G(α)=[?ln?(1?α)]3，表观活化能E=168.718 kJ/mol，指前因子A=1.770×1011?s?1；第二阶段的热分解满足机理函数Avrami-Erofeev(n=4)方程，积分表达式为：G(α)=[?ln?(1?α)]4，表观活化能E=136.446?kJ/mol，指前因子A=4.295×1012?s?1；同时也相应得出热分解过程两个阶段的Gibbs自由能变?G≠、焓变?H≠以及熵变?S≠的值，为污泥HA的进一步研究提供理论基础。
　　通过静态吸附实验，系统考察了吸附剂投加量、Cu初始浓度、pH值和温度对吸附性能的影响，得出污泥HA对Cu2+吸附的最佳条件为：吸附剂用量10 mg、pH4.0、吸附温度298 K、吸附的平衡时间为40~50 min。吸附动力学研究表明，污泥HA对Cu2+的吸附过程符合准二级动力学模型，且R20.99；随着Cu2+初始浓度的增大，平衡吸附量升高，而吸附速率常数 K值降低，达到吸附平衡所需要的时间增加。吸附热力学研究表明，污泥HA对Cu2+的吸附过程符合Freundlich等温吸附模型，且吸附过程的?G0、?H0均小于零，?S0大于0，表明污泥HA对Cu2+的吸附过程是一个自发、放热，且熵增的过程，低温有助于吸附反应的进行。

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1 绪论

1.1 腐殖酸的概述

1.2 城市污泥的概况

1.3 吸附理论

1.4 选题背景、意义及研究内容

2 污泥腐殖酸的提取工艺研究

2.1 引言

2.2 实验装置与方法

2.3 结果与分析

2.4 本章小结

3 污泥腐殖酸性能及热分解机理研究

3.1 引言

3.2 实验材料及设备

3.3 分析方法

3.4 基本性能研究结果与分析

3.5 热分解过程研究结果与分析

3.6 本章小结

4 污泥腐殖酸对Cu2+的吸附性能研究

4.1 引言

4.2 实验材料及设备

4.2 实验方法

4.3 结果与分析

4.4 本章小结

5 结论

参考文献

致谢

个人简历、硕士期间发表的学术论文及研究成果