活性炭纖維吸附苯酚的研究

活性炭纖維吸附苯酚的研究

焦廢水是一種典型的高純度廢水。經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的生化處理后，90%的焦化廠廢水的cod無(wú)法得到很好的處理。任源等人通過(guò)gc-ms方法對(duì)水中的有機(jī)成分進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，具有共軛相關(guān)的環(huán)狀有機(jī)物主要是永久性有機(jī)質(zhì)和內(nèi)源性雜質(zhì)。直接排放對(duì)環(huán)境和人類健康構(gòu)成潛在的有害。因此，焦廢水的深度處理是一個(gè)必須盡快解決的問(wèn)題?？紤]到苯酚存在的普遍性,擬采用苯酚模擬焦化廢水尾水。目前,焦化廢水深度處理技術(shù)的研究發(fā)展很快,主要技術(shù)有吸附法、氧化法、反滲透技術(shù)及電化學(xué)、微波、超聲技術(shù)等。魏曉雪等采用共代謝生物處理系統(tǒng)對(duì)焦化廢水進(jìn)行深度處理,探討了HRT對(duì)COD去除率的影響。胡玲等結(jié)合二氧化鈦的光致性能,以普通熒光燈為光源,利用光催化降膜反應(yīng)器探討影響COD去除率的各種影響因素和最佳工藝條件。李海濤等在質(zhì)子交換隔膜電解槽中采用石墨氈填充電極進(jìn)行研究,在最佳條件下,陽(yáng)極氧化和陰極電芬能夠有效去除多種有機(jī)污染物。SunWeiling等采用粉煤灰對(duì)生化處理后焦化廢水進(jìn)行深度處理,研究結(jié)果表明焦化廢水COD去除率隨粉煤灰顆粒粒度的降低而增加。以上方法存在成本高、二次污染嚴(yán)重、實(shí)際工程運(yùn)用困難等方面的問(wèn)題,用活性炭纖維(ACF)處理廢水,具有設(shè)備簡(jiǎn)單、吸附劑可重復(fù)利用、損失小、投資省的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外采用吸附法深度處理有機(jī)物的應(yīng)用研究逐漸增加,本研究采用黏膠基活性炭纖維去除目標(biāo)污染物。1材料和方法1.1藥品、試劑及儀器(1)材料吸附劑黏膠基活性炭纖維由中山大學(xué)材料科學(xué)研究所提供,其參數(shù)如表1所示,使用前剪裁成5mm×5mm片狀,用蒸餾水沖洗數(shù)次,去除吸附雜質(zhì),在120℃下烘干24h,冷卻后放置在干燥器中備用。苯酚(天津市諾克科技發(fā)展公司)、喹啉(天津市大茂化學(xué)試劑廠)、硫氰酸銨(天津市福晨化學(xué)試劑廠)、鹽酸(廣州化學(xué)試劑二廠)、氫氧化鈉(天津市福晨化學(xué)試劑廠),以上試劑均為分析純。(2)儀器HJ-4A型數(shù)顯恒溫多頭磁力攪拌器;pHS-3C型pH計(jì);JA2003N電子天平;UV-5800紫外可見(jiàn)分光光度計(jì);SFG電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。1.2靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)苯酚和喹啉的濃度測(cè)定采用紫外分光光度法。經(jīng)UV-Vis掃描,苯酚溶液在270nm處有最大吸收峰,喹啉在277nm處有最大吸收峰。苯酚標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為Y=0.0149X-0.0020,R2=0.9993。喹啉標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為Y=0.0272X+0.0222,R2=0.9990。以苯酚水溶液為模擬廢水,進(jìn)行靜態(tài)吸附研究。分別稱取不同質(zhì)量的ACF加入裝有100mL模擬焦化尾水(苯酚模擬溶液)的250mL錐形瓶中,在不同實(shí)驗(yàn)溫度條件下,以120r/min的速率恒溫振蕩4h至吸附平衡,過(guò)濾后測(cè)定濾液的苯酚值,計(jì)算ACF吸附量。將一定量的ACF加入到裝有不同pH值、不同濃度干擾物的試樣的250mL錐形瓶中,在室溫條件下,以120r/min的速率恒溫振蕩4h至吸附平衡,測(cè)定濾液的有機(jī)物含量,考察不同條件對(duì)ACF吸附量的影響。2結(jié)果與討論2.1苯酚在acf上的吸附行為稱取質(zhì)量為0.02g、0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.25g、0.3g的ACF,投加于盛有100mL苯酚溶液的250mL錐形瓶中,苯酚初始濃度為50mg/L,在30℃、40℃、50℃溫度下,以120r/min的速率恒溫振蕩4h至吸附平衡,測(cè)定濾液中苯酚的濃度。分別用Langmuir和Freundlich方程描述吸附平衡過(guò)程,見(jiàn)式(1)、式(2)。式中,Ce為吸附平衡濃度,mg/L;Qe為平衡吸附量,mg/g;Qm為單層飽和吸附量,mg/g;k1為吸附平衡常數(shù);x為被吸附物質(zhì)質(zhì)量,mg;m為吸附劑質(zhì)量,g;n、k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。根據(jù)Langmuir方程和Freundlich方程擬合得到的常數(shù)見(jiàn)表2。對(duì)比相關(guān)系數(shù)R2可知,Freundlich方程能更好地描述苯酚在ACF上的吸附行為。符合Freundlich方程,說(shuō)明苯酚在ACF上的吸附過(guò)程主要是有機(jī)物在兩相間的分配,是多層物理吸附過(guò)程。k值隨溫度的升高下降,表明吸附容量隨溫度的升高降低。由圖1可見(jiàn),水溶液中,苯酚在ACF上的吸附等溫線起始段斜率較大,且向吸附量軸凸出,屬于Giles分類中的L型等溫線,表明與溶劑水相比,苯酚更易被吸附劑所吸附,無(wú)強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用。2.2acf對(duì)苯酚吸附反應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)指導(dǎo)分析當(dāng)溫度一定時(shí),吸附量與平衡濃度的關(guān)系用吸附等溫線表示,通過(guò)吸附等溫線可對(duì)吸附性能進(jìn)行研究,在30℃、40℃、50℃溫度下,測(cè)定的吸附等溫線如圖2所示。由圖2可知,升高溫度不利于吸附的進(jìn)行,相同平衡濃度下,溫度越高,吸附量越低。苯酚在水中有限溶解,隨著溫度升高,苯酚的溶液度增大,其分子受到水分子的排擠作用減小,接觸到ACF表面的概率減小。根據(jù)式(3)和式(4),以lnkd對(duì)1/T作回歸計(jì)算,求得該吸附過(guò)程的熱力學(xué)參數(shù),列入表3中。式中,kd為吸附反應(yīng)的平衡常數(shù);ΔS0為標(biāo)準(zhǔn)吸附熵變,J/(mol·K);ΔH0為標(biāo)準(zhǔn)吸附焓變,kJ/mol;ΔG0為標(biāo)準(zhǔn)吸附吉布斯自由能變,kJ/mol;T為液相溫度,K;R為熱力學(xué)常數(shù),J/(mol·K)。由表3可知,ACF對(duì)苯酚的吸附熱ΔH0為負(fù)值,表明該吸附是放熱反應(yīng),因此在圖2中表現(xiàn)出溫度越高吸附量越低的現(xiàn)象。ΔH0的絕對(duì)值在30kJ/mol的范圍內(nèi),說(shuō)明ACF的吸附是物理吸附。ΔG0小于0表明,ACF對(duì)苯酚的吸附是自發(fā)反應(yīng)。ΔS0為負(fù)值,表明吸附使得整個(gè)體系的混亂度減小,有機(jī)物分子在活性炭表面比水中受到更大的限制。2.3acf的吸附行為用已配好的0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的HCl調(diào)節(jié)50mg/L的苯酚溶液至不同的pH值,分別為3、4、5、6、7、8、9、10,各稱取ACF0.05g投加于盛有100mL上述不同pH值溶液的250mL錐形瓶中,在室溫25℃下,以120r/min的速率恒溫振蕩4h至吸附平衡,測(cè)定濾液中苯酚的濃度,去除效果如圖3所示。pH<5的情況下,ACF對(duì)苯酚的吸附效果明顯,而堿性條件下,吸附效果急劇下降,pH=10時(shí),吸附量最低,去除率僅有49.13%。苯酚呈弱酸性,25℃其pKa值為9.95。ACF的等電點(diǎn)pHpzc約為4.3,溶液的pH值小于pHpzc,碳材料的表面帶負(fù)電荷;溶液的pH值大于pHpzc,碳材料的表面帶正電荷。當(dāng)溶液的pH值為4.3左右時(shí),ACF表面的凈電荷幾乎為零,溶液中的苯酚幾乎以分子的狀態(tài)存在,表面基團(tuán)不存在靜電力,此時(shí)吸附量最大;pH<4.3時(shí),ACF表面存在靜電排斥力;pH>4.3,特別當(dāng)溶液變成堿性時(shí),苯酚分子逐漸離化成陰離子的狀態(tài),ACF表面帶負(fù)電荷與苯酚陰離子之間存在靜電排斥力,以致平衡吸附量急劇下降。2.4硫氰酸銨的加入對(duì)苯酚溶液平衡吸附量的影響配置苯酚初始濃度50mg/L、硫氰酸銨初始濃度分別為0、0.76mg/L、2.28mg/L、3.8mg/L、5.32mg/L的混合液100mL。分別稱取ACF0.05g投加于盛有100mL上述不同無(wú)機(jī)鹽含量溶液的250mL錐形瓶中,在室溫25℃下,以120r/min的速率恒溫振蕩20min、60min、120min、240min,測(cè)定濾液中苯酚的濃度。無(wú)機(jī)物對(duì)吸附量的影響如圖4所示。在實(shí)驗(yàn)條件下,苯酚的平衡吸附量隨硫氰酸銨的加入而減小,硫氰酸銨的存在對(duì)活性炭纖維吸附苯酚產(chǎn)生干擾。無(wú)機(jī)鹽電解質(zhì)在水中完全電離出離子,帶電離子與極性水分子發(fā)生作用使水離子化,增加了體相內(nèi)部粒子之間的相互作用,要將溶液體系中的苯酚移到表面層更加困難,因此出現(xiàn)負(fù)吸附。2.5樣品溶液的配置本實(shí)驗(yàn)對(duì)相同總初始濃度的單、雙組分吸附進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)配置了一系列相同總初始濃度的單、雙組分溶液,即單組分體系的初始濃度與雙組分體系中初始濃度和相等。其中雙組分溶液中,苯酚濃度固定,喹啉初始濃度依次增加。分別稱取ACF0.05g投加于盛有100mL上述不同有機(jī)物含量溶液的250mL錐形瓶中,在室溫25℃下,以120r/min的速率恒溫振蕩4h至吸附平衡,測(cè)定濾液中苯酚和喹啉的濃度,雙組分混合物的紫外分光光度測(cè)定方法根據(jù)吸光度加和性求出。實(shí)驗(yàn)配置的單雙組分樣品的組分初始濃度見(jiàn)表4。以溶液總初始濃度為橫坐標(biāo),吸附量為縱坐標(biāo)作圖5。由圖5可知,雙組分體系的總吸附量大于相同初始濃度的苯酚單組分吸附量,小于喹啉單組分體系的吸附量。在固定苯酚初始濃度下,雙組分中喹啉組分的吸附量依次增大,增大的趨勢(shì)與喹啉單組分體系接近,苯酚的吸附量趨于減少。該雙組分中,苯酚、喹啉間存在競(jìng)爭(zhēng)吸附。喹啉的溶液度小于苯酚,接觸到ACF表面的幾率更大,因此雙組分體系中喹啉為強(qiáng)吸附組分。隨著喹啉初始濃度的增加,喹啉分子取代苯酚占據(jù)活性炭上的部分吸附位,導(dǎo)致苯酚在活性炭上吸附量的降低。3無(wú)機(jī)物硫氰酸銨和有機(jī)物喹啉(1)黏膠基活性炭纖維對(duì)模擬焦化廢水尾水中初始濃度為150mg/L的苯酚水樣,最大吸附量可達(dá)107.11mg/g。吸附實(shí)驗(yàn)中,溫度升高不利于吸附的進(jìn)行。pH<5的情況下,ACF對(duì)苯酚的吸附效果明顯,而堿性條件下,吸附效果急劇下降。模擬廢水中存在無(wú)機(jī)物硫氰酸銨和有機(jī)物喹啉時(shí),與苯酚的吸附產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。(2)Freundlich方程更好地描述苯酚在ACF上的吸附行為,苯酚在ACF上的吸附過(guò)程主要是有機(jī)物在兩相間的分配過(guò)程,是多層物理吸附。(3)ACF對(duì)苯酚的吸附熱ΔH0為負(fù)值,表明該吸附是放熱反應(yīng),絕對(duì)值在30kJ/mol的范圍內(nèi),說(shuō)明ACF的吸附是物理吸附。Δ