活性炭對廢水中對氯硝基苯的吸附特性研究

陳 燕

（湖南省保靖縣環境保護局，湖南保靖 416500）

活性炭對廢水中對氯硝基苯的吸附特性研究

陳 燕

（湖南省保靖縣環境保護局，湖南保靖 416500）

研究了活性炭加入量、吸附溫度、吸附時間、pH值不同時活性炭對模擬廢水中對氯硝基苯的吸附特性。結果表明：活性炭對對氯硝基苯廢水中的對氯硝基苯的去除率隨活性炭加入量的增加而增大，在200mL濃度為100mg/L對氯硝基苯廢水中最佳活性炭加入量為0.2g，去除率達96.68%，動態吸附平衡時間為22min；隨溫度的升高活性炭對對氯硝基苯廢水中的對氯硝基苯的去除率也增大，最佳吸附溫度為35℃；100mg/L對氯硝基苯廢水的最佳吸附pH值為7。活性炭對對氯硝基苯的吸附符合BET等溫吸附方程式，在20℃條件下，吸附等溫線方程為：，線性相關系數R2=0.998 6，估算出所用活性炭比表面積為428m2/g。

活性炭；對氯硝基苯；吸附

對氯硝基苯是一種工業來源廣泛的有機污染物，在我國的地表水和水源水中時有檢出。硝基氯苯對人體具有毒害作用，并且在自然界中很難降解，具有致畸、致癌、致突變的作用[1-2]，已經被美國國家環境保護局列為水環境中優先控制的有機污染物[3]。目前對此類廢水的治理尚無有效的方法[4]。

吸附法是一種常用的污水處理方法，主要用來分離去除廢水中的微量污染物，常用于脫色、除臭味、去除重金屬、去除溶解性毒性有機物、去除放射性元素等[5-7]。在常見的污水處理流程中，吸附法也經常用于離子交換和膜分離的預處理，用于去除污染有機物、膠體物或者余氯等，以保證處理出水的水質質量[8-9]。

本文通過吸附試驗研究了活性炭吸附對對氯硝基苯的吸附特性，通過考察活性炭加入量、溫度、吸附時間、溶液的pH值對活性炭吸附水中對氯硝基苯效果的影響，得出具有工程指導價值的參考數據。

1 試驗材料和儀器

1.1 藥品

對氯硝基苯（化學純，中國上海試劑一廠），活性炭（粉末狀，市售），鹽酸（分析純，湖南邵陽化學試劑廠），氫氧化鈉（分析純，天津石英鐘廠霸州市化工分廠）。

1.2 實驗儀器

紫外分光光度計（UV721G-100，上海儀電儀器廠），電子天平（AUY-120型，日本島津公司），恒溫震蕩器（THZ-82A型，上海金壇富華儀器公司），數字酸度計（SevenCompact，梅特勒-托利多國際股份有限公司），磁力攪拌器（HWJB-2100A，河南中良科學儀器有限公司）。

2 試驗方法

2.1 活性炭的預處理

活性炭使用前需要進行預處理，以防止活性炭上無機鹽及其他雜質對吸附的干擾。首先將活性炭放進去離子水中浸泡24h，然后過濾，把浸泡后的活性炭在烘箱中120℃下烘干24h至恒重，最后放置于密封容器中保存，備用[10-13]。

2.2 吸附條件的影響

2.2.1 活性炭加入量對吸附效果的影響

取200mL100mg/L的對氯硝基苯溶液6份，置于6個燒杯中，分別加入0.02～0.25g六種不同質量的活性炭。在20℃震蕩吸附條件下，分別間隔一定時間取水樣，利用紫外可見光分光光度計測定其吸光度，直至吸附平衡，計算去除率。

2.2.2 吸附時間對吸附效果的影響

取200mL100mg/L的對氯硝基苯溶液3份，置于三個燒杯中，每份分別加入0.05g、0.1g、0.15g活性炭。在20℃震蕩吸附條件下，間隔一定時間取水樣，利用紫外可見光分光光度計測定其吸光度，直至吸附平衡，計算去除率。

2.2.3 吸附溫度對吸附效果的影響

取200mL100mg/L的對氯硝基苯溶液5份，置于5個燒杯中，每份加入0.05g活性炭，調節溫度分別為20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，震蕩吸附，分別間隔一定時間取水樣，利用紫外可見光分光光度計測定其吸光度，直至吸附平衡，計算去除率。

2.2.4 pH值對吸附效果的影響

取200mL100mg/L對氯硝基苯溶液7份，置于7個燒杯中，采用鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液調節水樣的pH值分別為1～13的7個不同pH值，每個燒杯加入0.05g活性炭，在20℃下震蕩吸附，分別間隔一定時間取水樣，利用紫外分光光度計測定其吸光度，直至吸附平衡，計算去除率。

2.3 吸附等溫線

配制100mg/L對氯硝基苯溶液，取8份200mL該溶液置于燒杯中，每份分別加入不同質量的活性炭。在20℃條件下恒溫震蕩吸附至吸附平衡。測定吸附平衡濃度，得出各吸附平衡時溶液中對氯硝基苯的濃度和平衡吸附量，繪制吸附等溫線。分別用BET、Freundlich、Langmuir吸附等溫式擬合，得出活性炭吸附廢水中對氯硝基苯的最佳吸附等溫線公式。

2.4 分析方法

采用紫外分光光度計在286 nm處測定各水樣的吸光度，以確定溶液中對氯硝基苯的去除率[4]。

3 結果與討論

3.1 單因子影響研究

3.1.1 活性炭加入量對對氯硝基苯吸附效果的影響

用活性炭吸附對氯硝基苯的廢水，測定達到吸附平衡時不同活性炭加入量對去除率的影響。如圖1所示：

圖1 活性炭的加入量對對氯硝基苯去除率的影響

由圖1可知，活性炭加入量與廢水中對氯硝基苯的處理效果正相關。但隨著活性炭加入量的增多，單位質量活性炭對對氯硝基苯的吸附量會減少，導致活性炭的利用率降低。在200mL 100mg/L的對氯硝基苯溶液中，加入0.2g活性炭對對氯硝基苯去除率接近最高值。對濃度為100mg/L對氯硝基苯廢水中對氯硝基苯的去除率達到96.68%（圖1），飽和吸附時間為22min。在實際應用中，應該注意活性炭的用量，根據需要處理的廢水濃度加入最合適的炭量，以節省材料。

3.1.2 吸附時間對對氯硝基苯吸附效果的影響

用活性炭吸附對氯硝基苯的廢水，測定不同吸附時間對去除率的影響。如圖2所示：

圖2 不同吸附時間對對氯硝基苯吸附效果的影響

由圖2可知，在吸附開始階段吸附速度非常快，但隨著時間的延續增大幅度逐漸減小，吸附慢慢接近吸附平衡。在實際應用中，應注意控制吸附時間，保證活性炭與對氯硝基苯充分接觸，以縮短處理周期。

3.1.3 溫度對對氯硝基苯吸附效果的影響

用活性炭吸附對氯硝基苯的廢水，測定達到吸附平衡時不同溫度對去除率的影響。如圖3所示，隨著溫度升高，活性炭對對氯硝基苯的去除率總的趨勢在升高，并且在20～33℃上升幅度較大，在35℃去除率接近飽和，去除率為89.3%。這說明活性炭對對氯硝基苯的吸附以物理吸附為主，同時在活性炭分子上存在著—OH，—COOH等官能團，所以也存在著一定量的化學吸附。在升溫過程中，化學吸附會增強，占主導作用，升溫有利于化學吸附，導致總的吸附率增大。故活性炭對對氯硝基苯廢水的最佳吸附溫度為35℃。在實際應用中應盡量控制對對氯硝基苯廢水處理的溫度，以提高活性炭的利用率。

圖3 溫度對對氯硝基苯去除率的影響

3.1.4 pH值對對氯硝基苯吸附效果的影響

用鹽酸和氫氧化鈉調節對氯硝基苯溶液的pH值。不同pH值下活性炭對對氯硝基苯的吸附規律如圖4所示：

圖4 pH值對去除率的影響

由圖4可知，活性炭對廢水中對氯硝基苯的吸附在中性范圍最大，吸附去除率為91.9%，活性炭對對氯硝基苯的吸附量為367.6mg/g。這說明活性炭對分子狀態的溶質吸附性更強，對氯硝基苯在溶液pH中性時主要呈分子狀態，在酸或堿條件下部分以離子態存在。對于100mg/L對氯硝基苯溶液的pH在7～8之間，故在實際應用中不需加入酸堿調節劑，或加少量酸調節劑就能達到較高的去除率。

3.2 等溫吸附曲線

3.2.1 吸附等溫線的繪制

根據3.3的方法繪制20℃時活性炭對廢水中對氯硝基苯的吸附曲線，如圖5所示：

圖5 活性炭對對氯硝基苯的吸附曲線

由圖5可知，隨著達到平衡時溶液中對氯硝基苯的濃度的升高，單位質量活性炭吸附對氯硝基苯的吸附量與之正相關。活性炭加入量為0.05g時，達吸附平衡時水中對氯硝基苯濃度為9.24mg/L，吸附量為363mg/g。根據吸附等溫線圖，活性炭加入量較大時平衡吸附量升高趨勢較慢，當活性炭加入量小于0.05g時，平衡吸附量快速增加。這說明活性炭加入量較大時以單分子層吸附為主，吸附劑濃度大量增加后會形成多分子層吸附[18]。

3.2.2 BET（Brunaner，Emmett、Teller）吸附等溫線擬合

由BET吸附等溫線公式：

式中：qe——平衡吸附量，mg/g；

ce——吸附質的平衡濃度，mg/L；

cs——吸附質的飽和濃度，mg/L；

a——單層吸附最大吸附量，mg/g；

B——常數，與吸附劑和吸附質之間的相互作用能有關。

BET吸附等溫線公式轉換為直線形式：

將ce/cs與ce/[qe（cs-ce）]分別為橫坐標和縱坐標，擬合成一條直線，即為BET等溫線，直線的線性相關系數即擬合度[17-20]。擬合直線如圖6所示：

圖6 BET吸附等溫線擬合

由圖6 BET吸附等溫線擬合得出其吸附等溫方程式為：

即（B-1）/（aB）=0.0028；1/（aB）=0.0002。可求得：B= 15；a=333.33。

得BET吸附等溫線方程：

根據公式：

式中：as——吸附劑比表面積，m2/g；

a——單層吸附最大吸附量，g/g；

M——吸附質分子量，g/mol；

N0——阿弗加德羅常數，6.022×1023；

Am——單個吸附質分子所占面積，m2。

由BET擬合計算可得：a=0.333g/g，對氯硝基苯分子量M為157.56，查相關表格可知對氯硝基苯分子直徑約為0.58nm，可估算單個對氯硝基苯分子所占面積為0.336×10-18m2，從而計算出活性炭的比表面積為428m2/g。

4 結論

1）在20℃條件下，振蕩條件下用活性炭吸附100mg/L溶液中的對氯硝基苯，加入活性炭量以0.2g為宜，去除率達到96.68%，飽和吸附時間為22min。

2）溫度與活性炭對對氯硝基苯的吸附率呈正相關，最佳吸附溫度為35℃。

3）在pH中性條件下活性炭對對氯硝基苯的吸附率最大，偏酸性或堿性條件下吸附率會減小。

4）通過BET吸附等溫試驗，得出20℃條件下活性炭吸附對氯硝基苯的吸附等溫線方程為：R2=0.998 6。求得所用活性炭比表面積為428m2/g。

[1]馬軍，石楓華.O3/H2O2氧化工藝去除水中硝基苯的研究[J].環境科學，2002，23（5）：67-71.

[2]趙德明，童南時，徐根良.微電解法預處理對氯硝基苯廢水的研究[J].水處理技術，2002，10（5）：281-283.

[3]張洪林.難降解有機物的處理技術進展[J].水處理技術，1998，24（5）：259-264.

[4]王曉，馮振滿.催化氧化法處理對氯硝基苯（PCNB）廢水的研究[J].青海大學學報（自然科學版）.2003，8（4）：31-33.

[5]錢易等.現代廢水處理新技術[M].北京：中國科學技術出版社，1993：166-179.

[6]高廷耀，顧國維.水污染控制工程.[M].北京：高等教育出版社，2005：224-229.

[7]唐受印，戴友芝等.廢水處理工程.[M].北京：化學工業出版社，2004：122-146.

[8]葉嬰齊.工業用水處理技術[M].上海：上海科學普及出版社，1995：236-247.

[9]夏文香，李金成，鄭西來，等.溶解性石油烴在砂上的吸附和解吸研究[J].中國海洋大學學報，2005，35（5）：881-884.

[10]林玉真.活性炭在東南區水廠水質處理中應用[J].福建分析試，2001，20（13）：13-14.

[11]姜軍清，黃衛紅，陸小華.活性炭處理含酚廢水的研究[J].工業水處理，2001，21（3）：20-22.

[12]吉欣，張琳，王亞娟，等.活性炭吸附法處理麥麩膳食纖維廢水的研究[J].應用化工，2006，35（3）：195-197.

[13]張梅梅.粉末活性炭在凈水處理中的應用[J].河北煤炭，2006，16（1）：34-35.

[14]王海榮，劉秉濤，邵堅.活性炭纖維處理苯酚廢水的靜態吸附性能研究[J].鄭州大學學報（理學版），2006，38（1）：88-90.

[15]侯延民，李松田，尚桂花，等.活性炭對水中有機物吸附的選擇性[J].松遼學刊（自然科學版），2001，16（1）：59-62.

[16]嚴子春，王萍，劉斐文，等.沸石-活性炭組合工藝處理微污染原水的研究[J].給水排水，2002，28（1）：36-39.

[17]郭子成，孫淑巧，李建軍，等.鈣礬石吸附水的模型及等溫式[J].物理化學學報，2000，16（17）：667-671.

[18]張淼.等溫吸附模式及其應用[J].西北水資源與水工程，1995，6（1）：51-54.

[19]趙正國.等溫吸附方程在稀釋溶液中的應用[J].大學化學，1999，14（5）：7-11.

[20]黃華存，張小平.活性炭纖維吸附低濃度甲苯廢氣吸附等溫方程的研究[J].石油煉制與化工，2005，36（7）：46-49.

The Research on Adsorption of Aqueous P-Chloronitrobenzene by Activated Carbon

Chen Yan

The effective factors was investigated on the adsorption efficiency of dissolved p-chloronitrobenzene by activated carbon，which was singled as the mass of activated carbon added，the adsorption temperature，the adsorption time，and pH of the solution.The results showed the adsorption rate was enhanced with the magnitude of activated carbon increasing，and the optimum magnitude was 0.2g for 200ml p-chloronitrobenzene solution with the concertration of 100mg/L，arriving at the removal rate 96.68% in 22 minutes.With the temperature increasing，the removal rate of p-chloronitrobenzene increased，and the highest removal rate was obtained at 35℃.The study also showed the best adsortion efficiency was obtained at pH 7.The adsorption of p-chloronitrobenzene in activated carbon was fit for BET adsorption isotherm.At 20℃，the adsorption isotherm equation isR2=0.9986），from which the specific surface area of activated carbon can be conduced to be 428m2/g.

activated carbon；p-chloronitrobenzene；adsorption

X703

B

1003–6490（2016）04–0132–03

2016–03–26

陳燕（1976—），女，湖南保靖人，工程師，主要從事環境監測和環境污染治理技術工作。