廢舊輪胎橡膠顆粒與黏土對苯酚吸附性能

李 勇，何 俊，阮曉晨，胡曉瑾

（湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430068）

焚燒法、堆肥法和衛生填埋法等垃圾處置方法中，衛生填埋法因成本低、處理量大等優點而被廣泛使用。衛生填埋法關鍵是解決垃圾填埋場的密封性和防滲漏問題［1］，以防止有害物質泄漏。滲濾液中有害物質可分為有機污染物和無機重金屬污染物，有機污染物有以苯酚為代表的酚類，苯胺為代表的胺類，脂類，酮類，蒽類等，重金屬有Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg等［2］。選擇合理填埋襯層是解決上述兩問題的重要途徑。目前國內多數垃圾填埋場均選用天然黏土作為填埋襯層。已有研究成果表明:天然黏土雖然具有比較大的比表面積，良好的吸附性能，但其對有機污染物吸附能力不足［3］。而廢舊輪胎膠粒對苯酚具有較好的吸附性能，在室溫反應時間為6d時苯酚去除率可以最高達83%［4］。因此，尋找一種材料改性天然黏土彌補對有機物吸附能力的不足，已經成為環境巖土工程工作者們研究的熱點之一。

本文以滲濾液中有機污染物的典型代表—苯酚為研究對象，選取了廢舊輪胎膠粒和黏土為吸附劑，通過吸附試驗研究其對苯酚的吸附性能，為膠粒改性黏土在填埋襯墊層中的應用提供依據。

1 主要試驗儀器與試劑材料

主要試驗儀器:

1）上海光譜721E型可見分光光度計；

2）國華SHZ-82型恒溫振蕩器；

3）德國EppendorfAG22331型離心機；

4）容量瓶（1000mL、250mL、100mL）；

5）比色管若干（25mL）；

6）錐形瓶若干（50mL）；

7）移液槍2支（5mL、1mL）；

8）化學試劑:苯酚 （AR），4-氨基安替比 林（AR），鐵氰化鉀（AR），氯化銨，氨水等。

吸附材料:遼寧產顆粒狀鈉基膨潤土，比重為2.75，風干含水率16%，蒙脫石含量為85%～90%；產自山東的325目S180型水洗高嶺土，其中SiO2和Ai2O3含量分別為46.36%和40.0%，風干含水率約為1.5% ；購自南京某公司廢棄輪胎橡膠粒，膠粒比重為1.2，風干含水率為0。

2 試驗原理及方法

本試驗依據中華人民共和國國家環境保護標準（HJ503-2009）［7］，4-氨基安替比林直接分光光度法定量分析在510nm處測定不同質量濃度苯酚的標準樣品的吸光值，并繪制標準曲線。再在相同的條件下測定溶液中苯酚的吸光度值，根據標準曲線可得出溶液中苯酚的質量濃度。

準確稱取苯酚0.5g溶于100mL去離子水中，溶解后定量轉移到500mL的容量瓶中定容至刻度線，搖勻，配制成1mg/mL酚儲備液，于4℃低溫保存。試驗當天用苯酚儲備液配制250μg/mL苯酚標準中間液。

依次稱量烘干鈉基膨潤土（0.5mm），烘干高嶺土325目，30目（0.3mm）橡膠顆粒各0.5g分別加入到有編號的錐形瓶中，用移液槍分別加入0、1 mL、2mL、3mL、4mL、8mL、16mL的250μg/mL苯酚標準中間液，用去離子水定容至刻度25mL，搖勻。加塞密封后恒溫振蕩器（20±1）℃上振蕩90 min，靜置24h后取上清液至離心管離心（8000r/min的轉速下離心30min），再用0.2μm微孔濾膜進行抽濾，用紫外分光光度計測定水相中苯酚的吸光度。

為了確保試驗結果的可靠性，所有吸附試驗都進行了2組平行試驗求取平均值，并且進行了空白樣試驗測試苯酚的初始質量濃度。吸附材料對苯酚的吸附量qe和去除效率R可表示為

式中，Co，Ce分別為苯酚的初始質量濃度與平衡質量濃度，mg/L；V為溶液的體積，L；m為吸附劑的質量，g。

3 試驗結果及分析

3.1 靜置時間對吸附量的影響

選取苯酚初始質量濃度為20mg/L，震蕩后，將液固體試驗裝置靜置3h、6h、12h、24h、48h后分別取樣測得水相中苯酚平衡質量濃度，通過式（1）計算出對應的吸附量，從而建立吸附量與靜置時間關系（圖1）。由圖1可知，在靜置時間達到12h前，即吸附初期，吸附量隨著時間增大而顯著增大，在12 h后吸附量增速變慢。靜置時間相同情況下，橡膠顆粒對苯酚的吸附量高于高嶺土和膨潤土對苯酚的吸附量，說明橡膠顆粒對苯酚的去除性能優于高嶺土和膨潤土。

圖1 吸附量與靜置時間關系圖

3.2 苯酚質量濃度對去除率的影響

不同初始質量濃度的苯酚經過24h靜置反應后的去除率見表1。

表1 苯酚不同初始質量濃度反應后去除率

根據表1可繪出苯酚去除率與初始質量濃度關系（圖2）。

圖2 去除率與初始質量濃度關系

從表1中可以看出，在苯酚初始質量濃度為10 mg/L時，橡膠顆粒對苯酚的去除率高達86.66%，高于膨潤土對苯酚的去除率（82.44%），明顯大于高嶺土對苯酚的去除率（74.02%）；當苯酚初始質量濃度為20mg/L時，橡膠顆粒對苯酚的去除率降低到62.43%，而膨潤土和高嶺土對苯酚的去除率分別為55.41%，52.6%。在苯酚初始質量濃度大于20 mg/L時，苯酚質量濃度相同情況下，三種吸附劑對苯酚的去除率無明顯差異。這表明，在低質量濃度時，對苯酚的去除，橡膠顆粒比膨潤土和高嶺土表現出明顯的優勢，隨著質量濃度提高，橡膠顆粒對苯酚的去除優勢逐漸減小。

由圖2可以看出，伴隨苯酚初始質量濃度的增大，去除率與初始質量濃度關系曲線總體呈現出下降的趨勢，說明質量濃度對苯酚的去除有顯著影響。已有研究成果顯示城市生活垃圾填埋場滲濾液中有機 污 染 物 中 苯 酚 相 對 含 量 為 1.187%［6］，5.503%［7］，換算成質量濃度則分別10.9mg/L，17.7 mg/L，在本文試驗的低密度范圍內。這表明，橡膠顆粒改性黏土在城市垃圾填埋場襯墊層中應用是有效可行的。

3.3 平衡質量濃度對吸附量的影響

圖3為吸附量隨平衡質量濃度變化的曲線圖，即吸附等溫線。

圖3 吸附等溫線

由圖3可以看出:

1）在同一平衡質量濃度時，當平衡質量濃度低于20mg/L，試驗所用兩種黏土與30目橡膠顆粒對苯酚的吸附量相比，明顯較小，橡膠顆粒對苯酚具有更好的吸附性，當平衡質量濃度介于20～50mg/L，三種吸附劑對苯酚的吸附量大致相當。當平衡質量濃度大于50mg/L，膨潤土與已有文獻［4］中橡膠顆粒對苯酚的吸附等溫線中數值十分接近。說明在低平衡質量濃度時，橡膠顆粒對苯酚的吸附優于黏土對苯酚的吸附，高平衡質量濃度時，橡膠顆粒與黏土的差異并不大。

2）隨著苯酚平衡質量濃度的增大，斜率減小，曲線趨于平緩，說明單位質量吸附劑對苯酚的吸附量雖然也在增大，但這種增大量逐漸減緩，最終會趨于平衡；平衡質量濃度對吸附量的影響在減弱。吸附劑對低平衡質量濃度苯酚有較好的去除性能。

3.4 苯酚吸附等溫線

實際應用中，常用Freundlich和Langmuir等溫式［8］描述有機物的吸附平衡。

Freundlich等溫線方程式:其中:Cs為土對有機物的吸附量，μg/g；Ceq為吸附平衡時液相中有機物的質量濃度，μg/mL；Kf為吸附系數，1/n表示吸附的非線性程度。

Langmuir單分子層吸附等溫線方程式

其中:Ceq為吸附平衡時液相中有機物的平衡質量濃度，Cs為土對有機物的吸附量，B為最大吸附量，K為系數。

根據試驗結果，繪制吸附等溫線。

由公式（3）可得

以lgCeq為橫坐標，以lgCs為縱坐標作圖，以線性回歸，可得直線，如圖4，截距為lgKf，斜率為1/n。

根據公式（4），以Ceq為橫坐標，以Ceq/Cs為縱坐標繪圖，再用線性回歸，可得直線，如圖5，由截距和斜率即可求得K和B。

圖4 Freundlich吸附等溫線

圖5 Langmuir吸附等溫線

表2 不同等溫式計算出的苯酚吸附常數和相關系數

由表2可以看出，通過對實驗數據進行Langmuir等溫式和Freundlich等溫式擬合，膨潤土，高嶺土，橡膠顆粒三種吸附劑對苯酚的吸附行為均符合Langmuir和Freundlich等溫式。然而，就橡膠顆粒而言，Freundlich等溫式計算出的相關系數R為0.978，略好于Langmuir等溫式的相關系數R值0.973，說明Freundlich等溫式更適合描述苯酚在橡膠中的吸附行為。

兩種黏土，膨潤土和高嶺土的Langmuir相關系數R都大于0.98，達顯著相關水平。由于膨潤土和高嶺土Langmuir相關系數R在0.98以上，均大于其Freundlich相關系數R，因此Langmuir等溫式能更好的描述膨潤土和高嶺土對苯酚的吸附行為。

Fre-undlich等溫吸附特征常數1/n大致都介于0.1～0.5范圍內，表明三種吸附劑對苯酚有良好的吸附性能［6］。

4 結論

1）橡膠顆粒、膨潤土和高嶺土對苯酚的吸附量均隨時間的增長而增大，12h前后吸附速率有明顯差異。

2）吸附劑對苯酚的吸附受苯酚濃度影響。當苯酚質量濃度較低時，橡膠顆粒對苯酚質量的去除率大于膨潤土和高嶺土；當苯酚質量濃度較高時，三種吸附劑對苯酚的去除率相差不大。

3）橡膠顆粒、膨潤土和高嶺土對苯酚的吸附均符合Langmuir和Freundlich吸附等溫式，具有良好的線性相關性。

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