李文博， 王 涛， 严康峻， 焦钟乐， 史学儒， 来雪慧
(太原工业学院环境与安全工程系，山西 太原 030008)
引 言
含重金属离子废水排放会对土壤、水体和人体健康产生危害，因此，对废水中的重金属离子进行处理十分重要[1-2]。目前，处理废水中重金属离子的方法包括吸附法、化学沉淀法、离子交换法和膜分离法等[3]。其中，吸附法因操作简便、吸附量大等特点成为处理含Cd2+废水的主要方法[4]。通过秸秆生物炭处理含Cd2+废水，既可以去除重金属离子，又可以对农林废弃物再次利用，具有良好的生态效益[5]。本研究以玉米秸秆和大豆秸秆与污泥为原料，制备复合吸附剂，探讨其对废水中Cd2+的吸附性能。
1 材料与方法
1.1 复合吸附颗粒的制备
污泥取自太原市北郊污水处理厂，大豆秸秆和玉米秸秆取自太原市北固碾农田。首先，将取得的秸秆去头去叶，将其切成长度为2 cm～3 cm左右，然后用自来水将秸秆上的余土及灰尘冲洗干净，再连续用去离子水洗3遍之后，盛放在托盘中。放进电热恒温鼓风干燥箱中，在55 ℃下烘干至恒重，之后，将烘干后的秸秆剪成l cm左右。将烘干后的秸秆在破碎机中进行破碎，之后研磨成粉末，过80目(180 μm)筛，过筛后的秸秆粉末放入烧杯中，再加入10%的NaOH溶液浸泡24 h。将滤液过滤，滤渣烘干后储存于锥形瓶中待用。另外，取一定量活性污泥放入烘箱中于80 ℃下烘4 h，烘干后放入研钵中研磨，再过80目筛，过筛后的污泥储存在锥形瓶中待用。
将污泥和秸秆粉末以质量比为2∶1的比例混合放入烧杯中，共3份。然后，按浸渍比为1∶3的比例分别加入质量分数为30%、40%、50%的氯化锌溶液搅拌，将污泥和秸秆的混合物活化后，静置30 min。最后，将配置好的混合物分为5份放入坩埚中，再把坩埚放入微波炉中进行高温热解，时间分别为40、50、60、70、80 min，热解后即得污泥-秸秆吸附剂。
1.2 Cd2+的测定方法
Cd2+质量浓度的测定主要是通过双硫腙分光光度法。在强碱溶液中，生成红色络合物，其三氯甲烷萃取液在518 nm波长处进行分光光度测定，可得Cd2+的质量浓度。
1.3 吸附量
吸附剂吸附能力的大小用吸附量q表示，见式(1)。
q=V(ρ0-ρ)/W
(1)
式中:ρ0和ρ为吸附前、后溶液中Cd2+污染物的质量浓度，mg·L-1；V为被处理溶液的体积，L；W为吸附剂的质量，g；q为吸附量，mg·g-1。
2 实验结果及讨论
2.1 吸附时间
取质量浓度为100 mg/L的Cd2+标准溶液置于广口瓶中，将广口瓶放入摇床中使得溶液分别达到10、25、35 ℃，并称取3 g污泥-玉米秸秆和污泥-大豆秸秆复合吸附颗粒，投入到广口瓶中进行振荡，每隔5 min移取含Cd2+溶液，进行测定。图1为不同吸附时间对Cd2+废水吸附效果的影响。可以看出，污泥-玉米秸秆吸附颗粒对Cd2+的吸附效果高于污泥-大豆秸秆，吸附率随着吸附时间的增加而增加。在35 ℃下，两种吸附剂对Cd2+的吸附效果均在90 min时达到最大，吸附率分别为65.2%和19.2%。10 ℃和25 ℃条件下，则于180 min时达到最大吸附率。
图1 吸附时间对Cd2+吸附效果的影响
2.2 pH值
在25 ℃条件下，取质量浓度为100 mg/L的Cd2+溶液置于50 mL容量瓶中，分别投加污泥-玉米秸秆和污泥-大豆秸秆吸附颗粒0.5 g，考察不同pH值对吸附效果的影响，实验结果如图2所示。由图2可以看出，污泥-玉米秸秆对Cd2+的吸附量随着pH值的增加而增加。当pH为7.0时，吸附量为8.25 mg·g-1。污泥-大豆秸秆在pH值为4.0时，对Cd2+的吸附量仅为1.29 mg·g-1；当pH值达到6.0时，吸附量为2.33 mg·g-1。
图2 溶液pH值对Cd2+吸附效果的影响
2.3 初始溶液浓度
在25 ℃条件下，溶液初始pH为6.7，分别取50 mL初始浓度为0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mol/L的含Cd2+废水于容量瓶中，分别加入0.5 g的吸附颗粒，探究溶液初始浓度对吸附效果的影响，结果如图3所示。从图3可以看出，随着Cd2+初始摩尔浓度的增加，两种复合吸附颗粒对Cd2+的吸附量也随之增加。同样，污泥-玉米秸秆对Cd2+的吸附量大于污泥-大豆秸秆。当初始浓度为3.0 mol/L时，两种吸附颗粒的吸附量分别为8.83 mg·g-1和3.13 mg·g-1。
图3 Cd2+溶液初始浓度对吸附效果的影响
3 结论
1) 通过微波热解制备污泥-秸秆吸附颗粒，当污泥和秸秆粉末质量比为2∶1，加入体积比为50%的氯化锌溶液，微波热解50 min时，对Cd2+的吸附效果最好。
2) 污泥-玉米秸秆对Cd2+的吸附效果好于污泥-大豆秸秆颗粒。在35 ℃下，两种吸附剂对Cd2+的吸附效果均在90 min时达到最大；10 ℃和25 ℃条件下，在180 min时吸附率最大。当pH为7.0时，污泥-玉米秸秆对Cd2+的吸附量为8.25 mg·g-1；当pH为6.0时，污泥-大豆秸秆对Cd2+的吸附量最大。两种吸附颗粒对Cd2+的吸附量随着溶液初始浓度的增加而增加。
