改性污泥基生物炭的制备及其对Cd2+的吸附特性研究 论文

改性污泥基生物炭的制备及对Cd2+的吸附特性研究近年来，随着工业生产规模的不断扩大和人口的持续增长，重金属污染已经成为影响人类健康和生态环境的一个重大问题。镉（Cd）作为常见的一种重金属污染物，在水体和土壤中的累积不仅破坏了生态平衡，还可能通过食物链对人体健康造成潜在危害。因此，研发有效的重金属污染修复技术成为环境科学和工程技术领域的重要研究方向。生物炭作为一种环境友好型材料，因其良好的吸附性能、稳定性以及可再生性，已被广泛应用于土壤改良、环境污染修复和能源回收等领域。本文着重于污泥基生物炭的改性及其对Cd2+的吸附特性研究，揭示其在处理含镉废水中的潜力和机理。污泥基生物炭是通过将城市污水处理厂的剩余污泥进行热解炭化后得到的一种炭材料。该技术可以将废弃物转化为有价值的资源，既解决了污泥的处理难题，又提供了环保材料。然而，原始污泥生物炭的吸附能力有限，需要通过改性手段提高其吸附性能。改性通常采用物理或化学方法对生物炭进行处理，以提高其表面活性和孔隙结构，从而增强对重金属离子的吸附能力。在本文中，采用碱改性方法对污泥基生物炭进行改性。碱改性是指在生物炭的制备过程中添加碱性物质（如氢氧化钠NaOH），通过高温热解使得生物炭表面形成更多的碱性官能团，这些官能团能够提高生物炭对重金属离子的亲和力，进而增强其吸附能力。在研究中，通过分析污泥基生物炭改性前后的物理化学特性变化，评估了改性效果。结果表明，经过碱改性的污泥基生物炭其表面官能团丰富、比表面积增加、孔隙结构更发达，因此吸附性能得到了明显提升。具体到对Cd2+的吸附特性研究中，通过一系列实验，如吸附动力学实验、吸附等温线实验以及吸附热力学实验，深入探究了改性生物炭对Cd2+的吸附机理和吸附效率。吸附动力学实验揭示了吸附过程中Cd2+在改性生物炭表面的吸附速率和平衡时间，而吸附等温线实验则反映了在不同温度和浓度条件下的吸附容量变化，吸附热力学实验进一步分析了吸附过程的自由能变化、焓变和熵变，从而判断吸附是自发的还是非自发的，是吸热还是放热的过程。研究结果表明，碱改性污泥基生物炭对Cd2+表现出较强的吸附能力，且吸附过程更倾向于符合Langmuir吸附等温模型，说明改性后的生物炭表面具有均匀的吸附位点，吸附过程更类似于单分子层吸附。同时，吸附过程在热力学上是自发的，并且是一个吸热过程，表明提高温度有助于提高吸附能力，这与许多其他重金属离子的吸附研究结果一致。此外，通过循环实验验证了改性污泥基生物炭的可重复使用性及吸附效果的稳定性。经过多次吸附和再生，改性生物炭依然保持较高的吸附效率，这显示了其在实际应用中的潜力。本文所研究的碱改性污泥基生物炭对于处理含镉废水具有良好的应用前景。作为一种可再生、经济高效的修复材料，它为废水中重金属污染的治理提供了一条新思路。同时，该研究成果也为污泥资源化利用和生物炭技术的进一步发展提供了理论依据和技术支撑。