铁活化污泥基吸附剂的制备及对水中污染物去除效能研究

摘要

污水污泥是污水处理过程的副产物，产量巨大且成分复杂，污泥处理逐渐引起社会的广泛关注。利用热解技术将污水污泥转化为碳基固体材料，可实现污泥的无害化和资源化处理。本文主要研究以硫酸铁作为活化剂，通过热解将污水污泥制备为铁活化污泥基吸附剂，并将其用于去除水中重金属离子、磷酸盐和抗生素等污染物和实际生活污水。本研究主要内容包括：
　　⑴考察在铁活化污泥基吸附剂的制备过程中，制备条件对材料理化性能的影响。当热解温度从200℃增加至850℃时，吸附剂产率从90%降低至40%左右，主要是由于挥发性物质的挥发和和含碳物质的气化导致。活化剂和干污泥质量比的增加也会造成样品产率的降低，而升温速率和终温停留时间对产率的影响较小。较高的质量比和热解温度有利于吸附剂亚甲基蓝吸附值和碘值的增加。提高升温速率和延长终温停留时间对亚甲基蓝和碘的吸附有促进作用。铁盐活化剂的存在能够促进污泥的热解进程，有利于污泥中有机物质的分解和转化，从而产生丰富的孔隙结构并在热解过程生成铁的化合物。铁活化污泥基吸附剂以中孔为主，比表面积随热解温度升高而增加，最大值在750℃时获得；随着活化剂与干污泥质量比的增加，吸附剂比表面积呈先增加后降低的趋势，在0.5时达到最大，比表面积从2.3增加至126.9 m2/g。提高升温速率和延长热解时间可促进样品比表面积和孔隙的发展。随着热处理温度的提高，吸附剂的表面官能团逐渐分解，吸附剂中 C、H和 O元素含量降低，吸附剂的极性也随热解温度的增加而降低，而芳香度增加。
　　⑵铁活化污泥基吸附剂对Pb(II)离子、磷酸盐和四环素的吸附动力学过程符合准二级动力学模型，热力学参数表明Pb(II)离子在吸附剂上的吸附均为自发的放热过程，而污泥基吸附剂对磷酸盐和四环素的吸附为自发的吸热过程。铁活化污泥基吸附剂对Pb(II)离子和磷酸盐的吸附过程符合Langmuir吸附等温模型，Freundlich吸附等温模型可较好的描述吸附材料对四环素的吸附行为。铁活化可使吸附剂对Pb(II)离子、磷酸盐和四环素的吸附容量分别增加了0.18、20.4和68.6倍。铁活化污泥基吸附剂对Pb(II)离子的去除机理主要为离子交换、表面络合和化学沉淀；铁活化能够促进污泥基吸附剂比表面积和孔体积的增加，为Pb(II)离子的去除提供较多的活性位点，吸附材料中铁的氧化物水解后可与Pb(II)离子发生络合反应，同时含硫物质与Pb(II)离子反应生成Pb(SO4)·PbO沉淀，进而提高铁活化污泥基吸附剂对Pb(II)离子的去除效能。静电作用和配位体交换是铁活化污泥基吸附剂对磷酸盐吸附的主要机理，随着活化剂与干污泥质量比的增加，吸附剂中可与磷酸盐发生配位体交换的活性位点增加，从而提高吸附剂对磷酸盐的去除性能。铁活化污泥基吸附剂对四环素的吸附机理主要为孔填充作用、范德华力、氢键和表面络合；铁活化制备的吸附剂具有较大的比表面积和发达的孔隙结构，有利于四环素分子扩散进入吸附材料的孔道内，而吸附剂中铁氧化物水解产物（Fe-OH）和含氧官能团可与四环素发生络合反应，均有利于铁活化污泥基吸附剂对四环素的去除。
　　⑶铁活化可提高污泥基吸附剂对水中污染物的去除效能，吸附剂与混凝剂最佳的联用方式是先投加吸附剂再投加混凝剂.铁活化污泥基吸附剂、活性铁基污泥与混凝剂联用处理生活污水时，相对于单独混凝，NH3-N、TP、COD和 SCOD的去除率分别增加了3.2、1.3、1.7和0.6倍。吸附剂除能够吸附去除水体中的污染物外，还可在混凝过程中发挥助凝剂的作用促进絮体的沉降；污泥基吸附剂与混凝剂之间的协同作用可以提高生活污水中污染物的去除效果，减少混凝剂用量，同时实现污泥资源化回用于污水处理。

目录

第1章绪论

1.1研究背景

1.2污泥的处置和综合利用

1.3污泥基吸附剂国内外研究现状及存在的问题

1.4课题来源与主要研究内容

第2章实验材料与方法

2.1实验材料

2.2铁活化污泥基吸附剂的制备

2.3材料的表征方法

2.4吸附实验

2.5分析测试方法

2.6数据分析

第3章铁活化污泥基吸附剂的制备和表征

3.1引言

3.2热解条件对吸附剂产率和孔隙性能的影响

3.3铁活化污泥基吸附剂的性质研究

3.4本章小结

第4章铁活化污泥基吸附剂对污染物去除效能研究

4.1引言

4.2铁活化污泥基吸附剂去除Pb(II)离子的研究

4.3铁活化污泥基吸附剂去除磷酸盐的研究

4.4铁活化污泥基吸附剂去除四环素的研究

4.5本章小结

第5章铁活化污泥基吸附剂与混凝剂联用处理效能

5.1引言

5.2吸附剂的选择

5.3铁活化污泥基吸附剂与混凝剂联用

5.4铁活化污泥基吸附剂、活性铁基污泥与混凝剂联用

5.5处理效果比较

5.6本章小结

结论

创新点

展望与建议

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历