活性炭脫除焦化廢水中酚類污染物

活性炭具有獨(dú)特的吸附表面結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)，機(jī)械強(qiáng)度高，耐酸、耐堿、耐熱，不溶于水和有機(jī)溶劑，是性能優(yōu)異的吸附劑。目前活性炭已廣泛應(yīng)用于化工、環(huán)保、食品加工、冶金、藥物精制、軍事化學(xué)防護(hù)等領(lǐng)域。焦化廢水中有較高濃度的酚類、吡啶、呋喃、氯代物、喹啉、氰化物、氨氮等物質(zhì)，以上污染物多具有生物異質(zhì)性和有毒性，且可生化性差，因此焦化廢水屬于難降解工業(yè)廢水。文章采用改性活性炭去除焦化廢水中酚類污染物，同時(shí)進(jìn)一步研究改性活性炭在不同外界環(huán)境下對(duì)酚類有機(jī)污染物吸附效果，以期有效去除廢水中酚類污染物。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

1.1.1 儀器與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用的儀器及設(shè)備，見表1。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

分析純鄰甲酚、分析純對(duì)甲酚、色譜純乙酸乙酯、鹽酸、硝酸、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氯化鈉均購自天津市永大化學(xué)試劑有限公司?；钚蕴縼碜越K森森炭業(yè)科技有限公司。

1.1.3 檢測(cè)方法

采用紫外分光光度計(jì)對(duì)焦化廢水中的酚類物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，選用波長在200~400nm之間全掃。鄰甲酚的定量波長選取271nm，對(duì)甲酚的定量波長選取277nm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 改性活性炭制備

活性炭于去離子水中浸泡20min后洗滌，反復(fù)沖洗多次去除雜質(zhì)，放入馬弗爐105℃烘干，放入干燥器中備用。

選取HCl、HNO3、KOH、Ca(OH)2作為改性液，將50g活性炭和1.0mol/L改性液，按照活性炭質(zhì)量與改性劑量為1∶4的比例放于燒杯中，浸泡4h、震蕩4h、過濾。將改性處理后的活性炭用去離子水洗滌至中性，放入馬弗爐105℃條件下干燥后備用。

1.2.2 吸附實(shí)驗(yàn)

①向純水中加入對(duì)甲酚，將其配置為50mg/L的溶液，往5只裝有10mL對(duì)甲酚溶液的離心管中分別加入吸附劑(HCl改性、HNO3改性、KOH改性、Ca(OH)2改性、未改性的活性炭)，另一只離心管中加入純對(duì)甲酚水溶液作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)。設(shè)置3組平行對(duì)照試驗(yàn)。

②向純水中加入鄰甲酚，將其配置為50mg/L的溶液，往5只裝有10mL鄰甲酚溶液的離心管中分別加入吸附劑(HCl改性、HNO3改性、KOH改性、Ca(OH)2改性、未改性的活性炭)，另一只離心管中加入純鄰甲酚水溶液作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)。設(shè)置3組平行對(duì)照試驗(yàn)。

將上述離心管放置于水浴恒溫振蕩器上振蕩30min。等達(dá)到充分吸附平衡狀態(tài)后，溶液靜置30min，用濾紙把吸附劑過濾，過濾液進(jìn)行紫外檢測(cè)。

1.2.3 正交實(shí)驗(yàn)

影響活性炭吸附處理焦化廢水中酚類污染物的主要因素包括溶液的pH值、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、吸附劑的投加量以及溶液的鹽度等。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)采用五因素四水平的L16(45)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，用HCl改性的活性炭吸附鄰甲酚，分別改變5個(gè)因素，其中5個(gè)因素包括活性炭的投加量、反應(yīng)溶液的pH值、活性炭投加后的振蕩時(shí)間、溶液的溫度、溶液的鹽度。以紫外分光光度計(jì)檢測(cè)吸光度作為實(shí)驗(yàn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)正交設(shè)計(jì)，見表2。

2、結(jié)果與討論

2.1 吸附實(shí)驗(yàn)

空白對(duì)照組中鄰甲酚和對(duì)甲酚的吸光度分別為0.913和1.313，而用活性炭及改性活性炭吸附后，鄰甲酚和對(duì)甲酚的吸光度均低于空白對(duì)照組，說明活性炭對(duì)鄰甲酚和對(duì)甲酚是有吸附作用的。改性活性炭對(duì)鄰甲酚和對(duì)甲酚的吸附效果，見圖1。

由圖1可見，鹽酸和硝酸改性的活性炭對(duì)鄰甲酚和對(duì)甲酚的吸附效果最好，因?yàn)辂}酸和硝酸使活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)變得更加的豐富，比表面積也隨之相應(yīng)的增大，所以在吸附鄰甲酚和對(duì)甲酚時(shí)效果比較明顯。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

從吸附實(shí)驗(yàn)看出，鹽酸改性活性炭對(duì)鄰甲酚和對(duì)甲酚吸附效果最明顯，因此在正交實(shí)驗(yàn)中活性炭采用鹽酸改性活性炭。以pH為9濃度為100mg/L鄰甲酚作為空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，其吸光度為2.963，其他鄰甲酚吸光度正交結(jié)果，見圖2。

由圖2可見，活性炭的投加量、溶液pH值、攪拌時(shí)間、溶液溫度、溶液鹽度均可以影響吸附劑的吸附效果。正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，見圖3。

其中，因素A(活性炭的投加量)的K11是HCl改性活性炭的投加量為0.3g/10mL時(shí)四組實(shí)驗(yàn)吸光度和的平均值，因素B(溶液的pH值)的K11是溶液pH為6時(shí)四組實(shí)驗(yàn)吸光度和的平均值，因素C(攪拌時(shí)間)的K11是攪拌時(shí)間為20min時(shí)四組實(shí)驗(yàn)吸光度和的平均值，因素D(溶液的溫度)的K11是溶液溫度為30℃時(shí)四組實(shí)驗(yàn)吸光度和的平均值，因素E(溶液的鹽度)的K11是溶液鹽度為30mg/L的四組實(shí)驗(yàn)吸光度和的平均值；因素A(活性炭的投加量)的K12是HCl改性活性炭的投加量為0.6g/10mL時(shí)四組實(shí)驗(yàn)吸光度和的平均值，因素B(溶液的pH值)的K12是溶液pH為7時(shí)四組實(shí)驗(yàn)吸光度和的平均值，以此類推，其他因素的K1n的意義。R1值是因素A(活性炭的投加量)的K值中最大值與最小值的差，R2值是因素B(溶液的pH值)的K值中最大值與最小值的差，R3值是因素C(攪拌時(shí)間)的K值中最大值與最小值的差，R4值是因素D(溶液的溫度)的K值中最大值與最小值的差，R5值是因素E(溶液的鹽度)的K值中最大值與最小值的差，其中R值越大，說明它的影響越大，通過比較各因素的R值，來找各因素的影響差異。

由圖3(a)可見，在HCl改性的活性炭投加量為0.3g/10mL(A4)時(shí)，吸光度和的平均值最小，說明此時(shí)吸附效果最好。在溶液pH為7(B2)時(shí)，吸光度和的平均值最小，說明此時(shí)吸附效果最好，pH為9時(shí)吸光度和的平均值最大，說明此時(shí)吸附效果不好。在攪拌時(shí)間20min(C1)時(shí)，吸光度和的平均值最小，說明此時(shí)吸附效果最好。在溶液溫度為D240℃時(shí)，吸光度和的平均值最小，說明此時(shí)吸附效果最好。在溶液鹽度為40mg/L(E2)時(shí)，吸光度和的平均值最小，說明此時(shí)吸附效果最好。

由圖3(b)可見，R1>R2>R5>R4>R3，Rj越大，則此因素影響越大，從而得出各因素水平對(duì)吸附效果的影響大小為:HCl改性活性炭的投加量>溶液pH值>溶液的鹽度>溶液的溫度>攪拌時(shí)間。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)組合以A4B2C1D2E2的組合最好，所以吸附的最佳條件為:HCl改性的活性炭投加量為1.5g/10mL，反應(yīng)溶液的pH＝7，攪拌時(shí)間為20min，溶液溫度為40℃，溶液的鹽度40mg/L。進(jìn)一步利用這一吸附最佳條件對(duì)廢水中鄰甲酚和對(duì)甲酚進(jìn)行去除，發(fā)現(xiàn)鄰甲酚和對(duì)甲酚的含量明顯下降。

3、結(jié)論

(1)改性處理對(duì)活性炭的吸附效果有明顯的改善，其中經(jīng)鹽酸改性的活性炭吸附效果最好。

(2)研究表明，活性炭投加量和溶液pH值對(duì)于鹽酸改性活性炭的吸附效果影響較為顯著。在一定范圍內(nèi)，鹽酸改性活性炭投加量越大，吸附效果越好；鹽酸改性活性炭的最適pH值為7.0。（來源：中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境影響評(píng)價(jià)部，華北科技學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院）