全 文 ：工业用水与废水INDUSTRIAL WATER ＆ WASTEWATER Vol ． 45 No ． 5 Oct.， 2014
卢雪丽， 张惠灵， 周杨， 王春杏
（武汉科技大学 资源与环境工程学院， 武汉 430081）
污水处理厂的剩余污泥具有量多、 难处理、 易
污染等特性。 传统的污泥处理方法有填埋、 堆肥、
焚烧， 但这些方法都有不足之处， 如占地面积大、
对环境要求高、 产生废液和废气等。 剩余污泥中大
部分物质是有机物， 其中大约含有 60％ ～ 70％的粗
蛋白质， 25％左右的碳水化合物， 而无机灰分仅占
5％ 左右。 目前， 国内外很多研究者在探讨研究污
泥制备吸附剂的优化方法， 已经取得一些理论结果，
说明污泥中的有机碳可以得到很好地利用［1-4］。
棉花壳是农作废弃物， 产量多， 不经处理随意
堆放、 丢弃， 不仅给环境带来了污染， 而且造成了
大量资源的浪费。 棉花壳含多缩戊糖 22％ ～ 25％，
纤维素 37％ ～ 48％， 木质素 29％ ～ 32％［5］， 因此可
以考虑用棉花壳作为廉价的生物吸附剂。 棉花壳中
有机成分含量较高， 尤其是含有较高的有机碳， 与
传统制吸附剂的原材料木屑等有较大的相似性， 本
身就可以用来制吸附剂。 将其与污泥以一定比例混
合制吸附剂， 可提高原料含碳量， 很可能提高污泥
摘要： 为了对剩余污泥和棉花壳进行资源化利用， 以氯化锌为活化剂、 剩余污泥和棉花壳为原料制备吸附剂，
研究原料配比、 热解温度、 活化剂浓度、 活化剂用量对制备吸附剂的影响。 结果表明， 剩余污泥与棉花壳质量比
为 1 ∶ 1、 在活化温度为 400 ℃、 氯化锌的浓度为 3 mol ／ L、 原料质量与氯化锌溶液体积之比（固液比）为 1 ∶ 1 时，
吸附剂效果最好， 其碘吸附值和亚甲基蓝吸附值分别达到 402．984 2、 59．460 0 mg ／ g。 通过扫描电镜、 红外光谱等
表征分析可知制备的吸附剂孔径丰富发达， 含有 C—OH、 C—C、 C＝=C、 C—H官能团， 具有较高的吸附能力， 可以
用作吸附材料。
关键词： 剩余污泥； 棉花壳； 吸附剂； 资源化利用
中图分类号： X703.5 文献标识码： A 文章编号：%1009 － 2455（2014）05 － 0058 － 04
A study of adsorbent preparation using residual sludge and
cotton hulls
LU Xue－li， ZHANG Hui－ling， ZHOU Yang， WANG Chun－xing
（School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology,
Wuhan 430081, China）
Abstract： For the purpose of realizing the resource utilization of sludge and cotton hulls, they were used to
prepare adsorbent with zinc chloride as the activator. The influences of mass ratio of raw materials, pyrolysis tem-
perature, activator concentration, and activator dosage on adsorbent preparation were studied. The results showed
that, when the mass ratio of sludge to cotton hulls was 1 ∶ 1, the pyrolysis temperature was 400 ℃, the zinc chlo-
ride concentration was 3 mol/L, the volume ratio of raw materials to zinc chloride solution (solid-liquid ratio) was
1 ∶ 1, the adsorption capacity of the prepared adsorbent was the best, the iodine adsorption value and methylene
blue adsorption value reached 402.984 2 and 59.460 0 mg/g respectively. Through the characterization analysis of
the said adsorbent by scanning electron microscope and infrared spectroscopy, it could be found that, the adsor-
bent had prosperous micropore structure, contained functional groups such as C—OH, C—C, C＝=C, and C—H,
that′s why it had a higher adsorption capacity and could be used as adsorbent.
Keywords： residual sludge; cotton hulls; adsorbent; resource utilization
剩余污泥与棉花壳制备吸附剂的研究
·58·
活性炭的活性。
本研究用污泥和棉花壳制备吸附剂， 探讨了原
料用量比、 活化温度、 活化剂氯化锌浓度、 活化剂
用量等不同条件下制备的吸附剂的吸附效果， 并对
最优条件下制备的吸附剂做扫描电镜（SEM）和红外
光谱（FTIR）微观表征， 探讨其吸附机理。
1 材料与方法
1．1 材料、 试剂和仪器
试验原材料： 污泥取自武汉某污水处理厂脱水
外排污泥， 棉花壳取自农业种植户废弃物棉花壳。
试验试剂： 氯化锌， 重铬酸钾， 碘， 碘化钾，
硫代硫酸钠， 亚甲基蓝， 均为分析纯。
试验仪器： 101 型电热鼓风干燥箱， SHY－2 旋
转水浴恒温振荡器， 硅钼电阻炉， UV2000 紫外可
见光谱仪， VERTE×70 型傅里叶变换红外光谱仪，
Nava 400 Nano型扫描电子显微镜等。
1．2 试验方法
将污泥和棉花壳分别放入干燥箱中， 在 105 ℃
下干燥至恒重， 取出放入干燥器中冷却。 经破碎、
筛分后， 将污泥与棉花壳按不同质量比混合均匀。
加入一定体积、 一定浓度的氯化锌溶液， 搅拌至混
合均匀。 在其后的加热过程中， 由于活化剂氯化锌
的脱水作用， 原料中的氢和氧以气态水的形式释
放， 结果形成了多孔性结构发达的炭吸附剂。 静置
12 h后放入氮气氛围下的电阻炉中， 在不同温度下
进行热解。 热解完全后冷却至室温， 先用盐酸洗
涤， 再用 70 ℃ 蒸馏水洗涤， 最后用冷水反复洗
涤， 使洗出液的 pH 值接近中性。 经过滤、 干燥后
破碎， 过 200目筛， 得到粉状吸附剂。
1．3 分析方法
本试验通过测定吸附剂的碘吸附值和亚甲基蓝
吸附值表征其性能。 碘吸附值的测定按照 GB ／ T
12496．8—1999《木质活性炭试验方法 碘吸附值的
测定 》进行 ， 亚甲基蓝吸附值的测定按照 GB ／ T
12496．10—1999《木质活性炭试验方法 亚甲基蓝吸
附值的测定》进行。 另外用扫描电子显微镜和红外光
谱对吸附剂进行微观结构观察和主要官能团测定。
2 结果与讨论
2．1 污泥棉花壳配比对吸附剂性能的影响
取质量为 25 g 的原材料， 按不同的质量比称
量污泥和棉花壳， 向原料中加入 5 mol ／ L 的氯化锌
溶液 25 mL， 即原料质量和活化剂体积比（固液比）
为 1 ∶ 1， 将它们放置电阻炉中， 电阻炉升温速度为
10 ℃ ／min， 热解温度为 400 ℃， 热解 2 h。 污泥与
棉花壳质量比对吸附剂性能的影响如图 1所示。
由图 1可知， 碘吸附值随棉花壳所占比例的增
长而增加， 而亚甲基蓝吸附值先增大后减小， 但其
值在 57．816 5 ～ 60．474 4 mg ／ g 范围内， 改变不大。
污泥棉花壳配比对吸附剂微孔影响较大。 在氯化锌
的作用下含碳有机物发生芳构化和脱水作用［6］， 芳
构化使含碳有机物逐渐失去氢原子而不断被降解，
脱水作用使有机物中的氢氧原子以 H2O 的形式脱
出而进一步降解， 但碳原子被保留下来并不断积累
形成碳骨架， 在高温热解情况下， 挥发分不断挥发
形成孔隙， 这样就形成了以碳骨架为支撑的孔结
构。 由于棉花壳的有机碳含量和挥发分均比污泥
高， 随着棉花壳比例的增加， 有机碳和挥发分在混
合物中的比例随之增加， 使形成的碳骨架和孔结构
更丰富， 因此吸附值均增加。 但试验中发现棉花壳
含量不宜过高， 当两者比例过大（如棉花壳质量分
数超过 60％）时， 由于灰分含量过低， 制得的吸附
剂机械强度变差， 同时考虑到尽可能充分地利用污
泥， 因此污泥与棉花壳质量比为 1 ∶ 1。
2．2 热解温度对吸附剂性能的影响
取污泥和棉花壳质量比为 1 ∶ 1 的混合原材料
25 g（干重）， 按固液比为 1 ∶ 1， 加入 25 mL 浓度为
3 mol ／ L 氯化锌溶液， 混合均匀， 静置 12 h 后， 在
不同温度下热解 2 h， 热解温度对吸附剂性能的影
响如图 2所示。
由图 2可知， 碘吸附值先随着温度的升高而增
加， 在约 400 ℃ 时达到最大， 温度继续升高， 碘
吸附值迅速下降， 而亚甲基蓝吸附值变化不大， 最
大值和最小值相差 0．912 5 mg ／ g。 这是因为在高温
图 1 棉花壳含量对吸附剂性能的影响
Fig. 1 Influence of cotton hulls dosage on adsorbent
performance
0 20 40 60 80 100
w（棉花壳） ／%
碘
吸
附
值
／（
m
g·
g－
1 ）
500
400
300
200
100
碘吸附值
亚甲基蓝吸附值
61
60
59
58
57 亚
甲
基
蓝
吸
附
值
／（
m
g·
g－
1 ）
卢雪丽， 张惠灵， 周杨， 等： 剩余污泥与棉花壳制备吸附剂的研究
·59·
工业用水与废水INDUSTRIAL WATER ＆ WASTEWATER Vol ． 45 No ． 5 Oct.， 2014
条件下， 活化剂大量挥发， 使实际起作用的氯化锌
有所减少［7］， 此外高温或不完全隔氧等条件会导致
有机碳的烧失量增加， 使形成孔的空隙逐渐变大，
微孔部分变成了中孔﹑大孔， 表现为碘吸附值的下
降， 而亚甲基蓝吸附值却保持稳定。 可以看出， 在
温度约为 400 ℃时， 有利于微孔和中孔的形成。
2．3 固液比对吸附剂性能的影响
当污泥与棉花壳质量比为 1 ∶ 1， 氯化锌浓度为
3 mol ／ L， 热解温度为 400 ℃， 热解时间为 2 h 时，
固液比对吸附剂性能的影响如图 3所示。
由图 3可知， 随着固液比的增加， 碘吸附值先
增大后减小， 亚甲基蓝值逐渐减小。 固液比越大，
活化分子越多， 对孔道的堵塞也越严重， 碘吸附值
在达到最大活化分子之前， 活化剂引起的微孔增加
效应强于堵塞效应， 而在此之后堵塞效应强于微孔
增加效应， 碘吸附值下降。 最佳固液比为 1 ∶ 1。
2．4 活化剂浓度对吸附剂性能的影响
当污泥与棉花壳质量比为 1 ∶ 1， 固液比为 1 ∶ 1，
热解温度为 400 ℃， 热解时间为 1 h 时， 活化剂浓
度对吸附剂性能的影响如图 4所示。
由图 4可知， 碘吸附值随着活化剂浓度的增加
先增大后减小， 而亚甲基蓝吸附值随着活化剂浓度
的增加呈现先减小后增大的趋势， 但总体变化范围
不大， 为 59．460 0 ～ 61．857 4 mg ／ g。 这是因为活化
剂浓度较低时， 活化分子较少， 不足以使原料完全
活化， 当活化剂浓度达到 3 ～ 5 mol ／ L 时， 原料基
本被完全活化， 此时形成的孔数量最多， 因此碘吸
附值和亚甲基蓝吸附值达到较大值。 活化剂浓度继
续增大， 过量的金属离子堵塞在孔道中， 通过洗涤
无法完全将其完全排除［8］， 最终造成吸附值的下降。
3 吸附剂表征
3．1 SEM表征结果
原材料污泥、 棉花壳以及制备的吸附剂 SEM
照片如图 5所示。
由图 5可知， 原材料污泥表面呈现板结、 聚团
现象， 孔隙结构少； 而棉花壳含丰富纤维素， 呈现
明显条状链接外貌， 制备的吸附剂表面凹凸不平，
内部疏松多孔， 说明制得的吸附剂具有丰富的孔道
图 2 热解温度对吸附剂性能的影响
Fig. 2 Influence of pyrolysis temperature on adsorbent
performance
300 350 400 450 500 550 600
t ／ ℃
碘
吸
附
值
／（
m
g·
g－
1 ）
450
400
350
300
250
碘吸附值
亚甲基蓝吸附值
60.4
60.2
60.0
59.8
59.6
59.4 亚
甲
基
蓝
吸
附
值
／（
m
g·
g－
1 ）
图 3 固液比对吸附剂性能的影响
Fig. 3 Influence of solid-liquid ratio on adsorbent performance
1 ∶ 0.5 1 ∶ 1.0 1 ∶ 1.5 1 ∶ 2.0
固液比
碘
吸
附
值
／（
m
g·
g－
1 ）
450
400
350
300
250
碘吸附值
亚甲基蓝吸附值
61
60
59
58
57
56 亚
甲
基
蓝
吸
附
值
／（
m
g·
g－
1 ）
图 4 活化剂浓度对吸附剂性能的影响
Fig. 4 Influence of activator concentration on adsorbent
performance
1 2 3 4 5 6 7
c（氯化锌） ／ （mol·L-1）
碘
吸
附
值
／（
m
g·
g－
1 ）
450
400
350
300
250
碘吸附值
亚甲基蓝吸附值
62
61
60
59
58 亚
甲
基
蓝
吸
附
值
／（
m
g·
g－
1 ）
图 5 污泥、 棉花壳、 吸附剂 SEM照片
Fig. 5 SEM photographs of sludge, cotton hulls and adsorbent
（a） 污泥 （b） 棉花壳
（c） 吸附剂（2 000 倍） （d） 吸附剂（5 000 倍）
·60·
浓度、 主要污染物指标、 加权收费、 付费方式和时
限等， 同时也约定污水处理厂对上游企业非法超标
排放和偷排行为有监管权。 环保部门只对污水处理
厂排水进行监管。 这样既明确了责任主体又可以改
变污水处理厂在园区内的弱势地位， 有利于控制上
游来水水质， 对污水处理厂的健康运营以及整个园
区的健康发展都有积极意义。
参考文献：
［1］ 冯武军， 毛玉如， 陈红， 等． 我国化工园区发展循环经济的典
型模式研究［J］． 现代化工， 2007， 27（3）： 7－10．
［2］ 邹新， 史晓燕， 李秀峰， 等． 工业园区污水处理模式探讨和建
议［J］． 江西科学， 2010， 28（3）： 341－343．
［3］ 陈滨， 王申， 黄访平， 等． 化工园区混合化工废水集中处理技
术探讨［J］． 工业用水与废水， 2013， 44（1）： 38-41．
［4］ 叶斌， 李继， 董晓清， 等． 工业园区废水处理 BOT&TOT 模式
下生产企业节水困境分析 ［J］． 工业用水与废水 ， 2009， 40
（1）： 15-17．
［5］ 徐祖信， 屈计宁， 傅巍． 工业区污水治理路线和政策探讨［J］．
环境保护， 2005， 30（1）： 30－32．
作者简介： 李根锋（1980－）， 男， 山东嘉祥人， 工程师， 本科，
主要从事污水处理设施的建设 、 运行管理工作 ， （电话 ）0516-
88785991（电子信箱）ligenfeng@163.com。
收稿日期： 2014 - 08 - 04 （修回稿）
结构。 通过 SEM 观察还发现吸附剂表面和一些孔
道内有颗粒物存在， 这可能是酸洗不完全残留的活
化剂， 可通过多次洗涤去除。
3．2 FTIR表征结果
吸附剂的 FTIR图谱如图 6所示。
由图 6可知， 2 917 ～ 2 925 cm－1出现 C—H官能
团； 1 577 cm－1处的吸收峰归属于 C＝=C键的伸缩振
动； 1 517 ～ 1 570 cm－1处的吸收峰归属于 C—C键的
伸缩振动； 1 037 ～ 1 051 cm－1 处的吸收峰归属于
C—OH键的伸缩振动； 465 cm－1处的吸收峰归属于
C—H 键的伸缩振动。 由此可见， 活化剂氯化锌的
脱水缩合作用使吸附剂形成 C—H、 C—OH、 C—C、
C＝=C等主要官能团。
4 结论
（1） 污泥和棉花壳作为原材料制备吸附剂， 在
污泥与棉花壳质量比为 1 ∶ 1、 总质量为 25 g、 热解
温度为 400 ℃、 氯化锌浓度为 3 mol ／ L、 原料与活
化剂的固液比为 1 ∶ 1 时， 吸附剂形成的微孔、 中
孔和过渡孔最好。
（2） 对吸附剂进行 SEM和 FTIR 分析得出， 吸
附剂孔隙发达且丰富， 以中孔和细密的微孔为主，
包含 C—H、 C—OH、 C—C、 C＝=C 等官能团， 说
明吸附剂具有较高的吸附能力， 可用作吸附材料。
参考文献：
［1］ 方平， 岑超平， 陈定盛， 等． 炭化污泥吸附剂对 Pb2＋的吸附试
验研究［J］． 工业用水与废水， 2008， 39（3）： 37－40.
［2］ 成功， 孙蕾， 焦李， 等． 脱水污泥-松木共热解生物炭的制备
及吸附性能［J］． 工业用水与废水， 2013， 44（3）： 55－59.
［3］ 赵芝清， 徐天有， 张彦， 等． 污泥活性炭吸附含 Cr（Ⅵ）废水的
试验研究［J］． 工业用水与废水， 2009， 40（1）： 77-79.
［4］ 湛含辉， 罗彦伟， 韦小利． 生物吸附剂对废水中钙离子的去除
试验［J］． 工业用水与废水， 2007， 38（3）： 28-31.
［5］ 田维亮， 葛振红， 李继兴． 棉子壳中半纤维素纤维素和木质素
含量的测定［J］． 中国棉花， 2013， 40（7）： 24－25.
［6］ Nasrin R K， Marta C， Giselle S， et al． Production of micro－ and
mesoporous activated carbon from paper mill sludge ［J］． Carbon，
2000， 38（14）： 1905－1915.
［7］ Reinoso F R， Sabio M M． Activated carbons from lignocellulosic
materials by chemical and/or physical activation： an overview ［J］．
Carbon， 1992， 30（7）： 1111－1118.
［8］ 柯玉娟， 陈泉源， 张丽娜 ． 污泥活性炭的制备及其对溶液中
Cr6＋的吸附［J］． 化工环保， 2009， 29（1）： 75－79.
作者简介： 卢雪丽（1988－）， 女， 湖北随州人， 硕士研究生， 主
要从事水处理方面的研究， （电子信箱）825289408@qq.com。
收稿日期： 2014 - 08 - 14 （修回稿）
图 6 吸附剂的 FTIR 图谱
Fig. 6 FTIR spectrum of the adsorbent
0 1000 2000 3000 4000
波数 ／ cm-1
透
光
率
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
C—H
C—OH
C—C
C—H
C==C
（上接第 41页）
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
卢雪丽， 张惠灵， 周杨， 等： 剩余污泥与棉花壳制备吸附剂的研究
·61·