热激活涂料污泥作为潜在的可持续吸附剂用于污染物去除：基于等温线动力学、热力学及响应面方法的探究

《Scientific Reports》：Thermally activated paint-sludge as potential sustainable adsorbent for pollutant removal with insights from isotherms kinetics thermodynamics and response surface methodology

　　

摘要

未经处理的涂料工业废水中含有染料、有机污染物和重金属，其持续排放对环境和公共健康构成了严重威胁，尤其是在污水处理基础设施不完善的发展中国家。本研究探讨了利用来自涂料工业废物的热活化污泥（TAS）作为经济高效且可持续的吸附剂，用于去除工业废水中的污染物的潜力。通过等温线分析、动力学分析、热力学分析以及响应面法（RSM）建模，阐明了吸附机制并优化了操作参数。热活化污泥是通过在700°C下热解涂料污泥制备得到的，并与未经热处理的污泥进行了对比，以研究热处理对吸附性能的影响。通过XRD、FTIR、SEM–EDS、BET和TGA等手段对热活化污泥进行了全面表征，结果表明热处理提高了污泥的孔隙率、表面异质性、矿物组成和官能团。实验中改变了接触时间、pH值、温度、吸附剂用量和污染物浓度，发现热活化污泥的去除效果优于未经热处理的污泥，显著降低了BOD、COD、TSS、TDS、油类和油脂、硝酸盐以及Pb、Cd、Cr等重金属的含量。在碱性条件下，热活化污泥的最大吸附效率达到了86.9%。平衡吸附研究表明，Freundlich等温线模型能够最好地描述吸附过程（TAS的R2 = 0.998），表明吸附发生在多层表面上；而Langmuir模型的最大吸附容量从未经热处理的污泥的58.82 mg g?1提升到了热活化污泥的77.21 mg g?1。动力学分析表明，TAS上的吸附过程遵循伪二级反应模型（R2 = 0.995），说明存在化学吸附作用，同时颗粒内扩散也对整体吸附过程有所贡献。热力学数据分析表明吸附过程是自发的且吸热反应，热活化污泥与污染物的相互作用比未经热处理的污泥更强。响应面法分析指出pH值和吸附剂用量是影响吸附效果的主要操作变量，并揭示了各工艺参数之间的显著交互作用。热处理显著提高了吸附效率、吸附容量和过程稳定性，表明将工业污泥转化为高附加值材料用于可持续废水处理具有巨大潜力。