農業廢棄物作為生物質吸附劑對廢水處理的研究進展

北極星水處理網訊:生物質吸附法可彌補活性炭吸附法的不足

生物質吸附材料具有低成本、高效率、可再生等特點,在水處理應用技術方面有廣闊的發展空間。本文結合當前國內外研究進展,概述了以橘子皮、香蕉皮和柚子皮為代表的典型農業廢棄物作為生物質吸附劑處理水中的有機和無機汙染物的研究,以期為進一步研究農業廢棄物在水汙染控制領域的應用提供一定的理論指導。

水是人類賴以生存的基本條件,但在過去幾十年裡,由於人類活動,人口增長,城市化、工業化和無限制使用天然水資源導致全球水質受到嚴重汙染。水體中有毒汙染物的濃度升高導致人類的健康受到威脅,因此開發一種強有力的、經濟上可行的、環境友好的廢水處理方法迫在眉睫。

傳統的廢水處理的物理化學方法主要有離子交換法、石灰軟化法、砂過濾、沉澱、萃取、超濾、反滲透 、電滲析、活性炭吸附等方法。這  些傳統的方法有一定的應用局限性,存在處理效率低、運行條件嚴格、成本高、產生二次汙泥及其處置費用高昂、難再生利用等問題。

就目前應用廣泛的活性炭吸附法而言,由於活性炭具有多孔疏水性以及發達的細孔結構和巨大的比表面積被認為是萬能吸附劑,通常用於去除水中的各種汙染物,但是,由於其使用成本高加之再生困難限制了它在水汙染控制領域的廣泛使用。相比之下,生物質吸附法具有操作簡單、吸附效率高效、二次汙染小等優勢是一種良好的廢水處理方法。此外,這一過程可以消除或減少不同類型的汙染物,因此,它具有廣泛的適用性。生物質吸附法可彌補活性炭吸附法的不足,該方法已得到廣泛關注。

作為低成本的生物質吸附劑,農業廢棄物由於以下幾個優點而在廢水處理的應用中受到了人們的青睞: 1來源豐富和化學穩定; 2操作簡單; 3高比表面積;  4易化學改性。

01 農業廢棄物的化學和物理結構

以橘子皮、香蕉皮和柚子皮為代表的典型農業廢棄物,主要是由含有大量的羥基與羧基等多種活性基團的果膠、纖維素、半纖維素、木質素等物質組成。這些活性基團可通過螯合、配位、絡合、氫鍵等作用力結合重金屬離子和有機小分子汙染物。農業廢棄物是一種天然、環保和經濟的吸附劑來源,其表面疏鬆、多孔,有較好的機械強度和化學穩定性,是修復水體汙染適宜的吸附材料,可用於除去各種類型的水體汙染物。具有經濟、環保、資源豐富、易獲取、可再生利用、廉價、高效等優勢,具有極為廣闊的應用前景。

02 典型農業廢棄物的應用

2.1 橘子皮

橘子皮是農林廢棄物廢果皮中最主要的一種,其來源廣泛,主要成分是纖維素、果膠、木質素等,這些成分的分子結構中均含有大量的羧基、羥基等多種活性官能團,可以吸附溶液中的有機和無機汙染物,但到目前為止,大多數橘子皮仍然通過燃燒或者作為動物飼料生產的原料而處理,這不僅導致大量的資源浪費還產生其他一系列的環境問題。而利用橘子皮廢料作為生物質吸附劑處理廢水恰好可  以解決以上問題。

目前,許多國內外的研究人員對橘子皮作為生物質吸附劑在處理重金屬廢水領域的應用方面展開了大量的研究。Marn 等用柑橘渣從水溶液中除去 Cd2 +  。Ajmal等研究了用未經改性的橘子皮除去電鍍廢水中的鋅( II) 、鎳( II) 、銅( II) 、鉛( II)和鉻( II)  ,實驗結果表明,橘子皮對各金屬離子的吸附順序為:Ni2+ >Cu2+ >Pb2+>Zn2+ >Cr2+ ,吸附鎳離子的最佳 pH 值為  6,且吸附劑可以通過0.05 mol/L 的鹽酸溶液解吸附,解吸效率可以達到95.83%。

不少研究表明,對橘子皮渣進行不同手段的化學改性,可以改善它的物理化學性能,增加它的活性基團,提高與重金屬離子的絡合能力,從而提高吸附劑的吸附能力。Li等採用不同化學試劑改性後的橘子皮作為生物質吸附劑去除水溶液中鎘離子。將乾燥後的橘子皮用球磨機研磨粉碎以得到實驗用0.1~0.2mm的較小顆粒,研究了不同化學修飾方法(  洗滌、鹼皂化) 在不同的交聯溫度和交聯劑濃度條件下對生物質吸附劑吸附性能的影響。

結論得出:在80°C下通過鹼性皂化後用0.6mol/L檸檬酸改性的橘子皮生物質吸附劑能夠快速有效地除去鎘離子,最大容量為0.90mol/kg,最佳pH值為6。張莉祥等採用氨基改性處理後的橘子皮作為吸附劑,研究了改性橘子皮對模擬多種陰離子共存的水體環境中高氯酸鹽及共存陰離子的競爭吸附。Lugo-Lugo  等研究了天然的、甲醛處理過的和共聚接枝後的橘皮在對水溶液中鉛( II) 的吸附效果。

從實驗中可以看出,酸度對實驗的影響較大,橘子皮吸附鉛離子最佳 pH 為 5,在很短的時間內就可以達到吸附平衡。當橘子皮的吸附容量達到 99%  時,對於天然和經甲醛處理後的只需要10 min,對於共聚接枝材料需要 20  min。通過紅外光譜的測定,對金屬離子的吸附主要是橘子皮表面的羥基、羧基和氨基基團的作用。Feng  等採用交聯橘子皮與丙烯酸甲酯的相互作用形成的橘子皮接枝共聚物吸附水溶液中的銅離子。實驗結果發現改性生物質吸附劑對銅離子表現出高吸附能力和快速吸附速率;  從Langmuir 等溫線計算得到銅離子的吸附能力為289.0 mg/g,是未修飾生物質的 6.5 倍。

同樣,在染料廢水以及其他水汙染方面橘子皮生物質吸附劑也得到廣泛的應用。Khaled 等用橘子皮製得的活性炭去除人工紡織染料廢水中的紡織染料直接黃  12( DY-12) 。直接黃 12 作為染料化合物,其應用廣泛且在環境中具有高穩定性。結果表明,對直接黃 12 最大去除率可達到 96%  ,最大吸附容量達到75.76 mg/g。同時,Khaled 等還研究了橘子皮活性炭對廢水中的直接海軍藍 106( DNB-106)  的去除。實驗結果表明,橘子皮活性炭對海軍藍106 的最大吸附容量為107.53  mg/g。Nascimento等使用橘子皮作為吸附劑從水溶液中吸附活性灰色BF-2R 染料。

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