改性污泥基生物質炭對水中四環素吸附特性研究

王靜松 蔣燦(西北民族大學化工學院，甘肅 蘭州 730124)

0 引言

抗生素是生物在生長代謝的過程中產生的具有抑制或者消滅其他生物的一種化學物質，而四環素類抗生素是一種應用最廣泛的抗生素種類之一，常應用于家禽養殖、醫藥護理等方面，我國是抗生素使用大國，由于四環素類抗生素不能被生命體完全代謝，導致環境受到污染。近年來的研究發現，人們在土壤、水環境中均發現了四環素類抗生素的蹤跡，因此，對去除環境中的四環素的研究是非常必要的。

隨著我國城鎮化、工業化發展迅速，大量污水污泥被排放到環境當中，市政污泥中含有大量重金屬、病原菌等有害物質，不當處置易導致環境二次污染。而污泥的資源化利用可有效處理污泥環境污染問題[1]。目前對于廢水中的四環素去除方法有吸附法、絮凝法、高級氧化技術和化學降解法等。吸附法因其操作簡便、經濟成本低、吸附材料多樣備受科研工作者們關注。

1 實驗材料

1.1 實驗藥品

HCl、ZnCl2、四環素等均為分析純，市政污泥取自蘭州市七里河污水處理廠二沉池，實驗前，將取出的污泥暴曬一周后進行干燥，最后在120℃下再次干燥。

1.2 實驗儀器

TGL20M-Ⅱ離心機(湖南凱達)，DZG-6050型真空干燥箱(上海森信)，SHA-BA 恒溫振蕩箱(常州菲普)，UV128紫外分光光度計(日本島津)，S-4800掃描電子顯微鏡(日本日立)。

2 實驗方法

2.1 污泥基生物質炭的制備及表征

將干燥后的干污泥磨碎過篩，取60目以下顆粒物加入100mL 2 mol·L-1的ZnCl2溶液中攪拌12h，將所得的混合物進行離心，取出污泥于60℃下真空干燥。待充分干燥后在通氮氣的氣氛下熱解2h，控制溫度在500℃、升溫速率為10℃·min-1。自然冷卻至室溫后直到上清液的pH 不再變化，最后60℃烘干。

實驗中，對未活化、NaOH 活化以及ZnCl2活化的生物質炭進行比較。結果發現不經活化劑煅燒的污泥炭對TC 的吸附量較小，BET 結果也表明未經活化的污泥炭比表面積小(圖1)，孔隙也未得到充分發育。因此，單純的污泥炭不可作為理想的吸附劑吸附四環素。NaOH 活化的污泥炭則表現出極大的比表面積和發達的孔隙結構，雖然相較于未活化的污泥炭，其對四環素的吸附量有了顯著的增加，但是其對四環素的吸附量仍小于ZnCl2活化的污泥炭對四環素的吸附量。對其分析發現，NaOH 的活化效果過好，致使污泥炭中的炭含量急劇減少，對于四環素的吸附更多的是未揮發的不可溶性硅酸鹽類物質。從這一系列實驗分析中，初步判定在污泥炭吸附四環素過程中其關鍵作用主要依賴于發達的孔隙結構和各種有機碳化物。基于ZnCl2活化的生物質炭吸附效果最佳，因此選擇其作為研究對象。

圖1 吸附-脫附曲線

將得到的污泥基生物質炭以及活化后的材料在掃描電子顯微鏡下進行觀察，結果如圖2所示。由圖2可知，污泥基生物質炭具有層狀結構，活化后的污泥基生物質炭具有較豐富的孔隙結構， ZnCl2作為活化劑主要通過脫水和脫氫的作用刻蝕材料表面，從而形成多孔結構，并使炭材料進一步芳構化[2]。發達的孔隙結構會大大提高吸附劑的吸附性能。

圖2 污泥基生物質炭和活化后的污泥基生物質炭SEM圖像

2.2 污泥基生物質炭對四環素吸附效果的測定

四環素的吸附實驗。以50mL 錐形瓶為反應容器，將50mg污泥基生物質炭和25mL 500mg·L-1的四環素溶液投加其中，并放入水浴恒溫振蕩器中振蕩，控制轉速為200rpm，探究不同反應條件下四環素被吸附的效果。

3 結果與討論

3.1 振蕩時間對吸附的影響

在溫度為25℃條件下，分別于5min、15min、30min、60min、

90min、120min、240min、360min、480min、600min、720min、960min、1200min和1440min 時取出分離上清液以待濃度測試。四環素的剩余濃度由紫外可見分光光度計(島津，日本)在391nm 波長下測定。污泥基生物質炭對四環素的吸附量由下式確定。

式中，qe為吸附量(mg·g-1)；c0和ct分別為四環素溶液的初始濃度和指定時刻四環素濃度(mg·L-1)；V是四環素溶液體積(L)；m為污泥基生物質炭的質量(g)。

實驗結果表明，污泥基生物質炭對四環素的吸附量隨著時間的增加呈上升趨勢，在400min 之前為快速吸附階段，隨后的吸附量平穩上升，在1000min 以后基本達到了吸附平衡狀態。反應開始時由于四環素濃度較大，吸附劑活性位點豐富有利于吸附反應的進行，隨著時間的增加反應速率下降并逐漸趨于吸附飽和狀態。

3.2 反應溫度對吸附的影響

將4只裝有污泥基生物質炭和四環素的錐形瓶中放至水浴恒溫振蕩器中振蕩，分別將溫度控制在25℃、35℃、45℃、55℃。

實驗結果表明，溫度從25℃上升到55℃時，吸附量從44.6mg/g增加到100.2mg/g，說明污泥基生物質炭吸附四環素為吸熱過程。溫度的升高可能會引起活性位點、分子遷移率、孔隙率增加從而導致吸附量的增加[3]。

4 結語

經過ZnCl2改性后的污泥基生物質炭相比較未經過處理的炭來說有著豐富的孔隙結構，有利于對四環素的吸附。隨著時間的增加，污泥基生物質炭對四環素的吸附量逐漸增加，在1000min 以后趨于平衡。該吸附過程為吸熱過程，隨著溫度的升高，增強了吸附劑的吸附能力，在55℃時達到100.2mg/g。