污泥变废为宝：水热生物炭高效吸附印染废水亚甲基蓝

在城市污水处理厂中，大量的剩余污泥如何处理一直是个棘手的问题。然而，这些被视为废弃物的污泥，实则可能是解决另一环境难题的关键。西安理工大学的研究团队开展了一项创新研究，利用水热炭化技术将剩余污泥转化为高效吸附材料——污泥基生物炭，用于处理印染废水中的亚甲基蓝染料，取得了令人瞩目的成果。

一、污泥基生物炭的制备与优势

      研究团队采用水热炭化法制备污泥基生物炭，通过精心设计的正交实验，系统探索了温度、固液比、水热时间和pH值四个因素对生物炭吸附性能的影响。

      实验结果表明，最佳制备条件为：温度200℃、固液比1:10、时间2小时、pH值为7。在此条件下制备的污泥基生物炭对亚甲基蓝的吸附率高达88.9%，吸附容量达到111.11 mg/g。

      与传统的处理方法相比，水热炭化法具有显著优势：能耗更低，且能将废弃物转化为高附加值产品，真正实现了“以废治废”的循环经济理念。

二、结构表征：从光滑表面到多孔结构

      通过扫描电子显微镜(SEM)观察发现，原污泥表面呈现大块光滑状，而经过水热解后生成的污泥基生物炭呈现出层状鳞片状且表面粗糙，结构上呈现立体形状，拥有高度多孔结构。               

 

图1  污泥水热炭化前后SEM 图（a.原污泥×3.5K，b.污泥基生物炭×4.0K）

      这种结构变化是由于污泥中挥发性物质和化学键分解过程中挥发性气体的释放引起的。与原污泥相比，其比表面积显著增加，这为捕获和吸附亚甲基蓝提供了丰富的吸附位点。

 

    图2   吸附亚甲基蓝前后污泥基生物炭FT-IR 图

      傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析进一步揭示了污泥基生物炭的化学特性。分析显示，生物炭表面含有丰富的官能团，包括羧基、醇基等，这些官能团在吸附亚甲基蓝过程中发挥了关键作用。特别值得注意的是，生物炭显示出强芳香性，这有助于提高其吸附性能。

三、吸附性能与机制：高效且稳定

      研究发现，污泥基生物炭对亚甲基蓝的吸附过程分为三个阶段：快速吸附阶段、缓慢吸附阶段和稳定阶段。

      在初始15分钟内，吸附速率最快，去除率达到67.85%，这是因为反应初期生物炭表面有大量未被占据的吸附位点。随后吸附速率逐渐减缓，360分钟后基本达到吸附平衡。

 

图3  各个制备条件（a）及最佳条件（b）对亚甲基蓝的去除效果

      通过动力学和等温吸附模型拟合，发现吸附过程更符合准二级动力学方程和Langmuir等温吸附模型，表明这是一个受化学吸附过程控制的单分子层吸附。

 

图4    SBC 对MB 的吸附动力学拟合曲线（a.准一级动力学模型；b.准二级动力学模型）

四、应用前景与环保意义

      这项研究为剩余污泥的资源化利用和印染废水处理提供了新思路。我国剩余污泥年产量大，处理与处置成本高，而利用剩余污泥制备生物炭不仅可以降低污泥处理成本，还能为废水处理提供经济有效的吸附剂。

      印染废水作为一种典型的难降解工业废水，其排放量大、污染性强，传统处理方法往往成本高昂。污泥基生物炭的应用有望显著降低印染废水处理成本，同时实现固体废物的资源化利用，具有重要的环境和经济价值。

      干馏生物炭和水热生物炭对亚甲基蓝的吸附性能均验证了以废治废技术的可行性。未来可进一步研究，推动生物炭技术在工业废水处理中的规模化应用。

版权说明

      本文内容整理自发表于《应用化工》的学术论文《污泥基生物炭制备及其对亚甲基蓝吸附性能研究》（作者：鲁瑶等）。原创研究成果版权归原作者及期刊所有。