活性炭處理環(huán)己酮廢水研究

王永義，潘中耀，彭清靜

（1.河南省駐馬店農(nóng)業(yè)學(xué)校，河南 駐馬店 463000；2.吉首大學(xué) 生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 吉首 416000）

1 引言

環(huán)己酮是一種重要的溶劑和有機(jī)化工中間體，我國(guó)每年產(chǎn)生大量的環(huán)己酮廢水。環(huán)己酮廢水排入自然界會(huì)改變土壤性質(zhì)，惡化水質(zhì)，污染空氣，引起生物群落結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致生態(tài)失衡；環(huán)已酮進(jìn)入人體可導(dǎo)致中毒，且有一定的致癌作用［1］。

目前，環(huán)己酮廢水通常采用重油燃燒法與微生物降解法處理。重油燃燒法處理效率雖高，但費(fèi)用高、空氣污染嚴(yán)重，而微生物降解法處理效率偏低［2］。因此，探索經(jīng)濟(jì)高效的環(huán)已酮廢水處理方法具有十分重要的意義。

吸附法是一種操作簡(jiǎn)便、可實(shí)現(xiàn)廢水有用成分回收利用、對(duì)高低濃度廢水均適用的物理化學(xué)方法，已大量用于廢水處理，是解決水資源供需矛盾和防止環(huán)境污染的重要途徑［3，4］。本文以模擬環(huán)己酮廢水為對(duì)象，研究了活性炭對(duì)環(huán)己酮的吸附特性。

2 材料與方法

藥品選用環(huán)己酮、三氯甲烷、氯苯、鹽酸、氫氧化鈉（均為分析純）、活性炭（ZJ15型）。

廢水中環(huán)已酮含量測(cè)定方法以氣相色譜儀（GC900A型）測(cè)定環(huán)己酮的含量（內(nèi)標(biāo)物為氯苯）。

氣相色譜儀工作條件為柱溫：80℃；氫焰為120℃；汽化為160℃；H2流量為30mL／min；空氣為300mL／min；氮?dú)淞髁勘葹?.45∶1；分析柱為內(nèi)徑φ0.25，OV－17毛細(xì)管柱。

校正系數(shù)的測(cè)定，配制4.0g／L的氯苯、環(huán)己酮的三氯甲烷溶液，每次取2.0μL溶液注入色譜儀。按公式f＝（mi·As）／（ms·Ai）計(jì)算校正系數(shù)f［5］。測(cè)定結(jié)果見表1。

據(jù)公式：

式中mi為環(huán)己酮的含量，g；Ai為環(huán)己酮的峰面積，μv·s；ms為氯苯的含量，g；As為氯苯的峰面積，μv·s。計(jì)算出環(huán)己酮（mi）的含量。

表1 校正系數(shù)測(cè)定結(jié)果

3 分析與討論

3.1 等溫吸附曲線

配制0.5g／L、1.0g／L、1.5g／L、2.0g／L、2.5g／L、3.0g／L、3.5g／L、4.0g／L的模擬環(huán)己酮廢水。取各種濃度的環(huán)己酮廢水100mL置于8個(gè)錐形瓶中，分別加入1.0g活性炭。在20℃下吸附60min。測(cè)定處理后環(huán)己酮的濃度，計(jì)算活性炭對(duì)環(huán)己酮的吸附量。繪制等溫吸附曲線。等溫吸附曲線與Langmuir模型擬合，得出活性炭吸附量與濃度關(guān)系的方程［6，7］。按照同樣的方法做30℃時(shí)的等溫吸附曲線。

由圖1可知，20℃時(shí)活性炭對(duì)環(huán)已酮的吸附效果較好，單位質(zhì)量活性炭吸附環(huán)己酮的量隨著環(huán)己酮濃度的升高而升高。環(huán)己酮濃度在2.0g／L之前，上升趨勢(shì)較快；濃度在2.0g／L之后，上升趨勢(shì)減緩。說明隨著濃度的增加，活性炭的吸附量越來(lái)越接近于飽和吸附量。對(duì)濃度為2.0g／L環(huán)己酮廢水中環(huán)已酮的去除率達(dá)到85.2%。

對(duì)圖1中的20℃和30℃的吸附等溫線用Langmuir吸附等溫式處理。得到20℃吸附等溫方程式為y20＝0.004 5x＋0.002，相關(guān)系數(shù)R20＝0.995 9；30℃的吸附等溫方程式為y30＝0.006x＋0.002 2，相關(guān)系數(shù)R30＝0.994 9。

由Langmuir方程：

式中Q為活性炭的吸附量mg（環(huán)已酮）／g（活性炭）；k1為L(zhǎng)angmuir平衡常數(shù)；Qm為飽和吸附量，mg（環(huán)已酮）／g（活性炭）。

由圖2可以得出，直線斜率1／（k1·Qm）＝0.004 5，截距1／Qm＝0.002，求得Qm＝500.0，k1＝0.44。故20℃時(shí)濃度與吸附量的關(guān)系式為：Q20＝222.22C／（1＋0.44C）。

圖2 Langmuir擬合等溫線

同理，30℃時(shí)濃度與吸附量的關(guān)系式為Q30＝168.18C／（1＋0.37C）。由Langmuir擬合后得出的等溫吸附方程可得活性炭對(duì)環(huán)己酮的飽和吸附量為500.0mg／g，說明活性炭對(duì)環(huán)己酮的吸附非常容易進(jìn)行。

3.2 活性炭加入量對(duì)吸附量的影響

取100mL 2.0g／L的環(huán)己酮溶液8份，置于錐形瓶中，分別加入0.25g、0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g、3.5g活性炭。在 20℃下，振蕩吸附60min，過濾各個(gè)水樣，加入萃取劑后靜置30min［8］。測(cè)定處理后環(huán)己酮的含量并計(jì)算去除率。

由圖3可知，活性炭加入量越多，其對(duì)廢水中環(huán)己酮的處理效果越好。但隨著活性炭加入量的增多，單位質(zhì)量活性炭吸附環(huán)己酮的量減少，活性炭利用率降低。在100mL 2.0g／L的環(huán)己酮溶液中，加入2.0g活性炭時(shí)環(huán)已酮的去除率達(dá)到84.3%。在20℃，用活性炭處理環(huán)己酮2.0g／L的廢水，振蕩吸附1h，加入活性炭量以20g／L為宜。

圖3 活性炭的加入量對(duì)環(huán)己酮去除率的影響

3.3 吸附時(shí)間對(duì)吸附量的影響

取100mL 2.0g／L的環(huán)己酮溶液9份，置于錐形瓶中，每份加0.5g活性炭，分別在20℃下振蕩吸附 0min、15min、30min、45min、60min、75min、90min、105min、120min過濾水樣，加入萃取劑，靜置30min。測(cè)量處理后的環(huán)己酮濃度，計(jì)算去除率。

由圖4可知，在振蕩條件下，60min以前，活性炭對(duì)環(huán)己酮去除率隨時(shí)間增加有明顯增加；在60min以后，隨時(shí)間增加，活性炭對(duì)廢水中環(huán)己酮去除率無(wú)明顯增加，故吸附飽和時(shí)間為60min。

圖4 時(shí)間對(duì)去除率的影響

3.4 吸附溫度對(duì)吸附量的影響

取100mL 2.0g／L的環(huán)己酮溶液8份，置于錐形瓶中，每份加0.5g活性炭，溫度分別調(diào)節(jié)為10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，45℃。振蕩吸附60min，過濾水樣，加入萃取劑，靜置30min，測(cè)量處理后環(huán)己酮的濃度，計(jì)算去除率。

由圖5可知，溫度對(duì)去除效果的影響非常明顯。隨溫度的升高，活性炭對(duì)環(huán)己酮的處理率及吸附量均明顯降低。在30℃之后，活性炭對(duì)環(huán)己酮的吸附下降趨勢(shì)較快。這是因?yàn)槲綖榉艧岱磻?yīng)，溫度降低，反應(yīng)容易向正向進(jìn)行。在工業(yè)應(yīng)用中，盡量將廢水的溫度降低或者保持常溫以提高活性炭的利用率。

圖5 溫度對(duì)去除率的影響

3.5 pH值對(duì)吸附量的影響

取100mL 2.0g／L環(huán)己酮溶液6份，置于錐形瓶中，采用鹽酸溶液或氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)水樣的pH 值分別為2，3，4，5，6，7，8和9，分別加入1g活性炭，在20℃時(shí)振蕩吸附60min，然后將各個(gè)錐形瓶?jī)?nèi)的溶液進(jìn)行過濾，加入萃取劑，靜置30min，測(cè)量吸附后環(huán)己酮的含量，并計(jì)算去除率。

由圖6可知，活性炭對(duì)廢水中環(huán)己酮去除率在pH值為5時(shí)最大，為163.4mg／g。此時(shí)去除率最高，為81.7%。這是由于在弱酸性條件下，分子化程度高，而活性炭對(duì)非離解的分子狀態(tài)比離解的分子狀態(tài)吸附量大。2.0g／L的模擬環(huán)己酮廢水的pH值為4.5，而含環(huán)己酮的工業(yè)廢水pH值一般在4～7之間。故不需要加入酸堿調(diào)節(jié)劑，或加少量酸堿調(diào)節(jié)劑就能達(dá)到較高的去除率。

圖6 pH值對(duì)去除率的影響

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