农业废弃物作为生物质吸附剂对废水处理的研究进展

生物质吸附资料具有低成本、高效率、可再生等特色,在水处理使用技术方面有宽广的开展空间。本文结合当时国内外研讨进展,概述了以橘子皮、香蕉皮和柚子皮为代表的典型农业废弃物作为生物质吸附剂处理水中的有机和无机污染物的研讨,以期为进一步研讨农业废弃物在水污染操控范畴的使用供给必定的理论指导。

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水是人类赖以生存的基本条件,但在曩昔几十年里,因为人类活动,人口增长,城市化、工业化和无约束运用天然水资源导致全球水质遭到严峻污染。水体中有毒污染物的浓度升高导致人类的健康遭到要挟,因而开发一种强有力的、经济上可行的、环境友好的废水处理办法火烧眉毛。

传统的废水处理的物理化学办法首要有离子交换法、石灰软化法、砂过滤、沉积、萃取、超滤、反渗透 、电渗析、活性炭吸附等办法。这 些传统的办法有必定的运用局限性,存在处理功率低、运转条件严格、本钱高、发生二次污泥及其处置费用高昂、难再生运用等问题。

就现在运用广泛的活性炭吸附法而言,因为活性炭具有多孔疏水性以及兴旺的细孔结构和巨大的比表面积被认为是全能吸附剂,一般用于去除水中的各种污染物,可是,因为其运用本钱高加之再生困难约束了它在水污染操控范畴的广泛运用。相比之下,生物质吸附法具有操作简略、吸附功率高效、二次污染小等优势是一种良好的废水处理办法。此外,这一进程能够消除或削减不同类型的污染物,因而,它具有广泛的适用性。生物质吸附法可补偿活性炭吸附法的不足,该办法已得到广泛重视。

作为低本钱的生物质吸附剂,农业废弃物因为以下几个长处而在废水处理的运用中遭到了人们的喜爱: 1来历丰厚和化学安稳; 2操作简略; 3高比表面积; 4易化学改性。

01 农业废弃物的化学和物理结构

以橘子皮、香蕉皮和蜜柚皮为代表的典型农业废弃物,首要是由含有很多的羟基与羧基等多种活性基团的果胶、纤维素、半纤维素、木质素等物质组成。这些活性基团可经过螯合、配位、络合、氢键等效果力结合重金属离子和有机小分子污染物。农业废弃物是一种天然、环保和经济的吸附剂来历,其表面疏松、多孔,有较好的机械强度和化学安稳性,是修复水体污染适合的吸附资料,可用于除掉各种类型的水体污染物。具有经济、环保、资源丰厚、易获取、可再生运用、廉价、高效等优势,具有极为宽广的运用前景。

02 典型农业废弃物的运用

2.1 橘子皮

橘子皮是农林废弃物废果皮中最首要的一种,其来历广泛,首要成分是纤维素、果胶、木质素等,这些成分的分子结构中均含有很多的羧基、羟基等多种活性官能团,能够吸附溶液中的有机和无机污染物,但到现在为止,大多数橘子皮依然经过焚烧或许作为动物饲料出产的质料而处理,这不只导致很多的资源糟蹋还发生其他一系列的环境问题。而运用橘子皮废料作为生物质吸附剂处理废水刚好可 以解决以上问题。

现在,许多国内外的研讨人员对橘子皮作为生物质吸附剂在处理重金属废水范畴的运用方面展开了很多的研讨。Marn 等用柑橘渣从水溶液中除掉 Cd2 + 。Ajmal等研讨了用未经改性的橘子皮除掉电镀废水中的锌( II) 、镍( II) 、铜( II) 、铅( II)和铬( II) ,试验成果标明,橘子皮对各金属离子的吸附顺序为:Ni2+ >Cu2+ >Pb2+>Zn2+ >Cr2+ ,吸附镍离子的最佳 pH 值为 6,且吸附剂能够经过0.05 mol/L 的盐酸溶液解吸附,解吸功率能够到达95.83%。

不少研讨标明,对橘子皮渣进行不同手法的化学改性,能够改进它的物理化学功能,添加它的活性基团,进步与重金属离子的络合才能,然后进步吸附剂的吸附才能。Li等选用不同化学试剂改性后的橘子皮作为生物质吸附剂去除水溶液中镉离子。将干燥后的橘子皮用球磨机研磨粉碎以得到试验用0.1~0.2mm的较小颗粒,研讨了不同化学修饰办法( 洗刷、碱皂化) 在不同的交联温度和交联剂浓度条件下对生物质吸附剂吸附功能的影响。

定论得出:在80°C下经过碱性皂化后用0.6mol/L柠檬酸改性的橘子皮生物质吸附剂能够快速有效地除掉镉离子,最大容量为0.90mol/kg,最佳pH值为6。张莉祥等选用氨基改性处理后的橘子皮作为吸附剂,研讨了改性橘子皮对模仿多种阴离子共存的水体环境中高氯酸盐及共存阴离子的竞争吸附。Lugo-Lugo 等研讨了天然的、甲醛处理过的和共聚接枝后的橘皮在对水溶液中铅( II) 的吸附效果。

从试验中能够看出,酸度对试验的影响较大,橘子皮吸附铅离子最佳 pH 为 5,在很短的时间内就能够到达吸附平衡。当橘子皮的吸附容量到达 99% 时,关于天然和经甲醛处理后的只需求10 min,关于共聚接枝资料需求 20 min。经过红外光谱的测定,对金属离子的吸附首要是橘子皮表面的羟基、羧基和氨基基团的效果。Feng 等选用交联橘子皮与丙烯酸甲酯的相互效果构成的橘子皮接枝共聚物吸附水溶液中的铜离子。试验成果发现改性生物质吸附剂对铜离子表现出高吸附才能和快速吸附速率; 从Langmuir 等温线计算得到铜离子的吸附才能为289.0 mg/g,是未修饰生物质的 6.5 倍。

相同,在染料废水以及其他水污染方面橘子皮生物质吸附剂也得到广泛的运用。Khaled 等用橘子皮制得的活性炭去除人工纺织染料废水中的纺织染料直接黄 12( DY-12) 。直接黄 12 作为染料化合物,其运用广泛且在环境中具有高安稳性。成果标明,对直接黄 12 最大去除率可到达 96% ,最大吸附容量到达75.76 mg/g。一起,Khaled 等还研讨了橘子皮活性炭对废水中的直接海军蓝 106( DNB-106) 的去除。试验成果标明,橘子皮活性炭对海军蓝106 的最大吸附容量为107.53 mg/g。Nascimento等运用橘子皮作为吸附剂从水溶液中吸附活性灰色BF-2R 染料。

效果标明橘子皮吸附剂的最佳实验条件 pH 为 2,且吸附效果较好,该吸附剂具有从水溶液中除去活性灰色 BF-2R 染料的潜力并且可以用作高效的生物质吸附剂。Nemr 等研讨了用橘子皮制备的活性炭处理仿照废水中的直接蓝色-86( DB-86)染料的潜力。效果标明: 吸附平衡在30 min内抵达,在最佳实验条件 pH = 2 及室温下,6 g/L的吸附剂对初始浓度为 100 mg/L 的直接蓝-86 的吸附率为 92% ; 依据 Langmuir 模型取得的最大吸附容量为 33. 78 mg/g。橘子皮也用于除去水溶液中的卡巴呋喃。在 30 °C 下发现最大单层吸附容量为84.49 mg/g。

2.2 香蕉皮

香蕉是全球第四大产量的生果,香蕉皮是首要的残渣,首要用于堆肥、动物饲养和蛋白质、乙醇、甲烷 、果胶和酶的出产。香蕉皮中 富含纤维素、半纤维素、果胶和叶绿素等物质,由于果胶中羟基和羧基的存在,对金属和有机化合物具有高吸附才干,并且香蕉皮量大易得,无毒,可生物降解。当时,运用香蕉皮作为吸附材料在水污染控制领域具有广大的运用空间。

国内外不少的学者在运用香蕉皮作为生物质吸附剂处理重金属废水方面展开了许多的研讨。Ali等别离运用未处理、碱水解、酸水 解和漂白处理的香蕉皮作为吸附剂研讨其除去水溶液中 Cr( VI)和 Mn( II) 的功用。效果闪现,最佳的实验条件为:离子浓度为3mg/L,吸附剂量为4g/L,pH为6和反应时间为 60 min,在最佳的实验条件下 4 种通过不同办法处理之后的吸附剂对 Cr( VI) 的最大去除才干别离为 45% ,87% ,67% ,40% 。而对 Mn( II)最大去除容量别离为 51% ,90% ,74% ,67% 。

由上可以看出吸附剂对金属离子去除才干是碱水解 > 酸水解 > 漂白 > 不处理,这标明香蕉皮的化学处理增强了对金属离子的生物质吸附才干。Anwar 等研讨了香蕉皮生物质吸附剂对铅离子( II) 和镉离子( II) 的吸附。从拟合的 Langmuir 等温线可以核算得到 1 g 香蕉皮的最大吸附才干为吸附5. 71 mg镉和 2. 18 mg 铅。Abdulfatai 等研讨了香蕉皮对重金属Pb,Zn和Cr的吸附。用0.5mol/LH2SO4活化的香蕉皮吸附剂在 pH 为 6 下对铬离子的去除率最高达 88. 9% ,还发现吸附剂粒径巨细对锌离子的去除没有影响,并且还得到铅和铬离子的去除率跟着接触时间和粒径的增加而降低。Kumar 等研讨了在不同实验条件下通过运用“酸处理的香蕉皮”除去组成废水中的六价铬。通过 EDX 和 Fe-SEM对“酸处理香蕉皮”进行表征,得到通过酸处理之后的香蕉皮的吸附功用。实验效果标明,通过酸处理之后的香蕉皮对铬离子的吸附功率抵达99. 9% ,酸的处理增加了香蕉皮表面的活性位点,使得吸附剂功用得到大幅前进。Massocatto 等研讨了不同化学改性的香蕉皮吸附铅离子的动力学和热力学。用氢氧化钠、盐酸和磷酸处理后的香蕉皮作为生物质吸附剂处理水溶液中的铅离子,以判别出最优改性剂。

运用红外光谱和扫描电子显微镜对香蕉皮进行表征,来了解化学改性处理后香蕉皮的物理、化学以及形状改动。实验发现: 在 3 ~ 5 的 pH 范围内观察到改性和天然皮的吸附才干的增加,吸附系统在300 min 内抵达平衡,其动力学遵照伪二阶方程。

从吸附等温线观察到改性后的香蕉皮的吸附才干显着增强,特别是用 NaOH 处理的吸附剂。郑文钊等也研讨了改性香蕉皮对 Pb2 + 的吸附研讨。改性实验效果标明,体积比为 5∶ 1 的乙醇与乙酸混合溶液被认为是香蕉皮的最佳改性剂; 最佳吸附条件为: 铅离子初始浓度 20 mg/L,pH = 5,吸附剂用量为0. 7 g,吸附时间为 70 min,其间影响铅离子去除率的两个最首要要素是溶液的酸碱性和铅离子初始浓度。

不少的学者也研讨了香蕉皮在染料废水处理方面的吸附功用。Amela 等运用香蕉皮来处理碱性染料亚甲基蓝。该实验所用的香蕉皮生物质吸附剂是通过烧碱( NaOH) 化学改性得到的改性香蕉皮。在实验条件为20°C,pH值为4~8时碱化香蕉皮吸附容量的最大值为19.671 mg/g 和未通过化学处理的香蕉皮的最大吸附容量为 18. 647 mg/g,通过碱化后的香蕉皮的吸附容量有必定的前进。Gui-so 等研讨了香蕉皮对酸性蓝 25 的吸附行为。实验发现,经0.1 mol/L KNO3改性的香蕉皮可以供应许多的弱酸性基团,有利于吸附的进行。通过对吸附等温线的实验数据拟合得到了改性后的香蕉皮的吸收才干为0.215 mmol/L。

2.3 柚子皮

柚子在世界一切的热带和亚热带地区都有培养,年产量约 400 万 t。因此,在世界各地都存在柚子皮,柚子皮中含有几种水溶性和不溶性单体和聚合物。水溶性组分含有葡萄糖、果糖、蔗糖和一些木糖,而果胶 、纤维素、半纤维素和木质素构成不溶性组分。在这些组分中含有的羟基、羧基、氨基、酯基等具有较强吸附才干的化学官能团,可与化学试剂发生氧化、酯化、醚化、接枝共聚等反应,易被化学基团修饰,可作为废水处理领域一种出色的生物质吸附剂,其原皮、化学处理后的柚子皮都可用于捕集废水中的污染物。

现在,国内外有许多的关于用柚子皮作为生物质吸附剂处理重金属废水的研讨。Tasaso通过控制不同的初始 pH、初始浓度、接触时间和温度等影响吸附的要素研讨了作为生物质吸附剂的柚子皮( PP) 和蜕皮柚子皮( DPP) 去除水溶液中的铜离子。实验效果发现,在 pH = 4,初始离子浓度为125 mg / L,温度为 25 °C ,平衡时间约为 60 min 的条件下 PP 和 DPP 对 Cu 2+ 最大吸附才干别离为19.7 mg/g和21.1 mg/g;两种吸附剂的吸附等温线都遵照 Langmuir 模型,都能很好的遵照伪二级动力学模型。

Schiewer 等研讨了质子化的柚子皮对镉的吸附功用。实验效果标明,质子化之后的柚子皮与金属离子的结合才干比天然皮的高,这是由于柚子皮上天然存在的阳离子与镉在相同结合位点之间产生了竞赛。在浓度高于 150 mg / L 的 Cd2 + 溶液中,天然皮与质子化之后的皮的最大吸附容量别离为95.54,123.64mg/g。

Zou等研讨了柚子皮处理含铀( VI) 的仿照放射性废水。实验效果闪现: 在298 K 下柚子皮对铀抵达最大的吸附量为140.79mg/g;通过FTIR分析评价生物质-铀(VI)相互效果的性质,标明—COOH,—OH 和—NH2 基团都参加了生物质吸附进程; 柚子皮中纤维素的官能团如—COOH 和—OH 通过开释质子可与铀( VI) 反应构成络合物,反应性酸酐与纤维素羟基结合构成酯键并将羧基引入纤维素中,所以作者认为铀( VI)在柚子皮生物质吸附剂上的吸附机理可能依据离子交换,吸附模式可归因于柚子皮上的活性基团和化学键。

Mostaedi 等研讨了用柚子皮吸附水溶液中镉和镍。实验对溶液 pH,生物质吸附剂用量,接触时间和温度进行了单要素实验。实验效果标明,柚子皮对 Cd( II) 和 Ni( II) 的最大吸附量别离为42.09,46.13 mg/g;整个吸附进程的动力学遵照伪二阶动力学模型,热力学参数遵照 Freundlich 模型。

通过 FTIR 分析标明,羧基和羟基参加金属离子的生物质吸附,在吸附 Cd( II) 和 Ni( II) 的进程中活性基团开释的阳离子和质子提醒了主吸附机制是离子交换。解吸附实验选用0.1mol/LHCl,发现对Cd( II) 和 Ni( II) 的收回率大于 97% 。效果标明柚子皮可以有用地用于从废水中去除 Cd( II) 和 Ni( II)离子,且可再生循环运用。

在染料废水处理方面,柚子皮也得到了广泛的运用。Argun 等用柚子皮去除水溶液114 活性蓝染料,研讨柚子皮对染料废水的吸附功用。研讨者通过比表面积检验得到柚子皮的表面积为0.034m2/g,均匀孔半径为1.3×10-3 μm,吸附在pH = 2 和303 K 温度下取得最大吸附容量为16 mg/g,且在约 90 min 后抵达吸附平衡。Bello等用柚子皮制成的活性炭来处理孔雀绿废水。实验中对碳化柚子皮的成分分析效果标明,水分( 9% ) ,灰分( 8. 2% ) 和挥发物( 11. 4% ) 含量低,但固定碳含量( 71. 4% ) 是令人满意的。

整个吸附进程遵照 Langmuir 等温线,最大单层吸附容量为178.43 mg/g。解吸附实验运用0.2 mol/L HCl 研讨废碳化柚子皮的再生功率,在 4 个循环后发现吸附功率在92. 71% ~ 96. 35% 的范围内,阐明碳化柚子皮的再生功用出色,关于染料的吸附具有巨大的潜能。Saee 等研讨了用柚子皮作为吸附剂处理结晶紫废水的潜力。实验从染料废水的初始 pH,接触时间、温度、初始染料浓度、吸附剂剂量等方面展开,以期得到柚子皮去除结晶紫( VA) 染料废水的最首要的影响要素以及除去的机理。

效果标明,吸附平衡在吸附开端后 60 min 灵敏抵达且对 VA 的吸附率抵达 96% ;吸附实验数据通过拟合很好地遵照伪二阶动力学模型。在解吸附实验中运用 1 mol/LNaOH 再生柚子皮,具有高达 98. 25% 的结晶紫收回率并且可以在重复的循环中从头用作染料吸附剂。该研讨标明,柚子皮具有作为从水溶液中除去结晶紫的有用吸附剂的运用潜力。

03展 望

在本研讨开展中,依据许多相关研讨文献,对农业废弃物作为生物质吸附剂从水中去除各种类型污染物的运用进行了总述。

尽管在废水处理中运用农业废弃物作为生物质吸附剂的报道在灵敏增加,但仍然存在一些亟待处理的问题,如通过怎样的方法前进生物质吸附剂的吸附才干,怎样高效收回金属离子,怎样有用重复运用生物质吸附剂。

在本文所回顾的文献中,化学修饰由于可以增加材猜中的活性结合位点的数目,也可构成有利于结合污染物的新官能团,然后处理了怎样前进吸附功用的问题。但未来的研讨还应延伸到运用农业废弃物吸附剂对废水规模化处理的工程问题上,这需求许多的财政支撑和技术创新。尽管现在存在着缺陷和应战,但是可以预见未来这一领域会取得巨大的开展。

总的来说,依据农业废弃物的生物质吸附剂展现了显着的优势,可以用来替代宝贵的商业活性炭用于对水污染的控制,这为运用农业废弃物供应了一个广大的运用前景。

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