农业废弃物作为生物质吸附剂对废水处理的研究进展

生物质吸附材料具有低成本、高效率、可再生等特点,在水处理应用技术方面有广阔的发展空间。本文结合当前国内外研究进展,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究,以期为进一步研究农业废弃物在水污染控制领域的应用提供一定的理论指导。

水是人类赖以生存的基本条件,但在过去几十年里,由于人类活动,人口增长,城市化、工业化和无限制使用天然水资源导致全球水质受到严重污染。水体中有毒污染物的浓度升高导致人类的健康受到威胁,因此开发一种强有力的、经济上可行的、环境友好的废水处理方法迫在眉睫。

传统的废水处理的物理化学方法主要有离子交换法、石灰软化法、砂过滤、沉淀、萃取、超滤、反渗透 、电渗析、活性炭吸附等方法。这 些传统的方法有一定的应用局限性,存在处理效率低、运行条件严格、成本高、产生二次污泥及其处置费用高昂、难再生利用等问题。

就目前应用广泛的活性炭吸附法而言,由于活性炭具有多孔疏水性以及发达的细孔结构和巨大的比表面积被认为是万能吸附剂,通常用于去除水中的各种污染物,但是,由于其使用成本高加之再生困难限制了它在水污染控制领域的广泛使用。相比之下,生物质吸附法具有操作简单、吸附效率高效、二次污染小等优势是一种良好的废水处理方法。此外,这一过程可以消除或减少不同类型的污染物,因此,它具有广泛的适用性。生物质吸附法可弥补活性炭吸附法的不足,该方法已得到广泛关注。

作为低成本的生物质吸附剂,农业废弃物由于以下几个优点而在废水处理的应用中受到了人们的青睐: 1来源丰富和化学稳定; 2操作简单; 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、香蕉皮和柚子皮为代表的典型农业废弃物,主要是由含有大量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。这些活性基团可通过螯合、配位、络合、氢键等作用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源,其表面疏松、多孔,有较好的机械强度和化学稳定性,是修复水体污染适宜的吸附材料,可用于除去各种类型的水体污染物。具有经济、环保、资源丰富、易获取、可再生利用、廉价、高效等优势,具有极为广阔的应用前景。

02 典型农业废弃物的应用

2.1 橘子皮

橘子皮是农林废弃物废果皮中最主要的一种,其来源广泛,主要成分是纤维素、果胶、木质素等,这些成分的分子结构中均含有大量的羧基、羟基等多种活性官能团,可以吸附溶液中的有机和无机污染物,但到目前为止,大多数橘子皮仍然通过燃烧或者作为动物饲料生产的原料而处理,这不仅导致大量的资源浪费还产生其他一系列的环境问题。而利用橘子皮废料作为生物质吸附剂处理废水恰好可 以解决以上问题。

目前,许多国内外的研究人员对橘子皮作为生物质吸附剂在处理重金属废水领域的应用方面展开了大量的研究。Marn 等用柑橘渣从水溶液中除去 Cd2 + 。Ajmal等研究了用未经改性的橘子皮除去电镀废水中的锌( II) 、镍( II) 、铜( II) 、铅( II)和铬( II) ,实验结果表明,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,且吸附剂可以通过0.05 mol/L 的盐酸溶液解吸附,解吸效率可以达到95.83%。

不少研究表明,对橘子皮渣进行不同手段的化学改性,可以改善它的物理化学性能,增加它的活性基团,提高与重金属离子的络合能力,从而提高吸附剂的吸附能力。Li等采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实验用0.1~0.2mm的较小颗粒,研究了不同化学修饰方法( 洗涤、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性能的影响。

结论得出:在80°C下通过碱性皂化后用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去镉离子,最大容量为0.90mol/kg,最佳pH值为6。张莉祥等采用氨基改性处理后的橘子皮作为吸附剂,研究了改性橘子皮对模拟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 等研究了天然的、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。

从实验中可以看出,酸度对实验的影响较大,橘子皮吸附铅离子最佳 pH 为 5,在很短的时间内就可以达到吸附平衡。当橘子皮的吸附容量达到 99% 时,对于天然和经甲醛处理后的只需要10 min,对于共聚接枝材料需要 20 min。通过红外光谱的测定,对金属离子的吸附主要是橘子皮表面的羟基、羧基和氨基基团的作用。Feng 等采用交联橘子皮与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铜离子。实验结果发现改性生物质吸附剂对铜离子表现出高吸附能力和快速吸附速率; 从Langmuir 等温线计算得到铜离子的吸附能力为289.0 mg/g,是未修饰生物质的 6.5 倍。

同样,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应用。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,其应用广泛且在环境中具有高稳定性。结果表明,对直接黄 12 最大去除率可达到 96% ,最大吸附容量达到75.76 mg/g。同时,Khaled 等还研究了橘子皮活性炭对废水中的直接海军蓝 106( DNB-106) 的去除。实验结果表明,橘子皮活性炭对海军蓝106 的最大吸附容量为107.53 mg/g。Nascimento等使用橘子皮作为吸附剂从水溶液中吸附活性灰色BF-2R 染料。