木炭對垃圾滲瀝液中COD的吸附性能研究*

李廣科，宋膠膠，栗　　赟，王一平，王聰穎

（山西大學環境與資源學院，山西　　太原　030006）

木炭對垃圾滲瀝液中COD的吸附性能研究*

李廣科，宋膠膠，栗赟，王一平，王聰穎

（山西大學環境與資源學院，山西太原030006）

研究了木炭對垃圾滲瀝液中COD的吸附過程，同時應用吸附動力學模型pseudo-first order和pseudosecond order及吸附等溫模型Langmuir和Frundlich對吸附數據進行擬合。結果表明，吸附36 h后吸附過程趨于平衡，滲瀝液中COD的初始濃度為414、1 164、2 179 mg/L時，COD的去除率分別為89.79%、84.03%、65.91%，單位吸附量分別為9.28、24.45、27.87 mg/g。木炭對COD的吸附符合pseudo-second order動力學模型及Langmuir吸附等溫模型，液膜擴散和化學吸附反應是影響吸附速率的主要步驟。生物質炭對滲瀝液中COD有較好的去除效果。

木炭；垃圾滲瀝液；吸附動力學；吸附等溫線

目前，常用活性炭作為吸附劑處理廢水［1-2］，但活性炭活化過程中會產生大量廢渣、廢氣、廢水，造成二次污染。生物質炭是活性炭活化之前的產物，是由植物生物質在完全或部分缺氧的條件下，經熱解炭化產生的一類高度芳香化的難溶性固態物質，屬于廣義概念上黑炭的一種。生物質炭具有較大的比表面積，表面含有較多的含氧活性基團［3］，其制備的原料成本低且較為廣泛，常見的生物質原料有農業廢棄物、木屑、活性污泥等［4］，被認為是環境領域內具有廣闊應用前景的一種材料［5-6］。此外，在廢水處理方面也有較好的吸附效果，徐仁扣等［7］發現生物質炭可作為一種高效吸附劑吸附廢水中甲基藍；楊柳燕等［8］將生物質炭固定化改性后發現，生物質炭能有效吸附水體硝態氮；李戀卿等［9］發現生物質炭可望作為去除水體多環芳烴污染的新型吸附材料；陳寶梁等［10］用生物質炭吸附水中有機物，發現生物質炭具有較大的吸附能力和吸附容量。鑒于此，本實驗用木炭代表生物質炭，研究了其對滲瀝液中COD的吸附性能，以期為生物質炭在水污染控制方面的應用提供理論依據。

1　　材料與方法

1.1實驗材料和儀器

實驗所用木炭購自成都全然備長炭有限公司其目數為40～60目。所用垃圾滲瀝液采自太原市某垃圾填埋場。

恒溫搖床（ZHWY-211B，上海智城分析儀器制造有限公司）；循環水式多用真空泵（SHZ-C廣州市予華儀器有限公司）；精密pH計（PHS-3C上海儀電科學儀器股份有限公司）。

1.2吸附實驗

將垃圾滲瀝液用蒸餾水稀釋不同比例。稱取8g木炭于500 mL聚乙烯瓶中，加入100 mL蒸餾水浸潤后，依次加入100 mL不同COD濃度的滲瀝液，置于恒溫振蕩箱中振蕩不同時間（120 r/min，（26±0.5）℃）后，過濾，采用重鉻酸鉀快速法［11］測定濾液中COD。

2　　結果與討論

2.1平衡時間

圖1為吸附時間對滲瀝液中COD去除率及單位吸附量的影響，COD的初始濃度為414、1 164、

2 179 mg/L。可看出，吸附可大致分為3個階段，即2 h以內的快速吸附階段，2～12 h緩慢吸附階段，

12～60 h趨于平衡階段。吸附初期的0.5 h內，由于木炭表面的空吸附位較多，木炭對滲瀝液中COD吸附速率很高，當吸附至2 h后，吸附逐漸緩慢，出現一個偽平衡，此時高、中、低3個濃度COD去除率分別為26.29%、40.31%、30.45%，單位吸附量分別為14.32、11.73、3.15 mg/g。當吸附12 h后發現，吸附仍然繼續進行，且比2 h時去除率分別提高了7.86%、16.90%、31.59%，單位吸附量分別增加了 4.28、4.92、3.27 mg/g。在36～60 h時，吸附已基本平衡，COD最終的去除率分別為69.67%、88.99%、89.92%，對應的單位吸附量分別為29.46、25.89、9.30 mg/g。考慮到實際應用，本實驗將吸附平衡時間確定為36 h，其對應的COD去除率分別為65.91%、84.03%、89.79%，單位吸附量分別為27.87、24.45、9.28 mg/g。

圖1 吸附時間對不同初始COD濃度去除率及單位吸附量的影響

2.2吸附動力學

吸附過程一般可分為3個“串聯”連續步驟，即液膜擴散階段、顆粒內擴散階段、化學吸附反應階段，吸附的總體速率取決于其中最慢的階段［12-13］。為研究木炭對滲瀝液中COD的吸附動力學及吸附過程中主要影響步驟，分別采用偽一級動力學方程、偽二級動力學方程、液膜擴散方程、顆粒內擴散方程、化學吸附反應方程對實驗所得數據進行擬合，擬合參數如表1所示，偽二級擬合結果如圖2所示。

表1　　吸附動力學擬合參數

圖2　　偽二級吸附動力學擬合結果

從表1可看出，偽一級動力學、偽二級動力學方程都可以用來擬合木炭對滲瀝液中不同初始COD濃度的吸附動力學，而偽二級動力學方程能夠更真實地反應木炭對滲瀝液中COD的吸附機理。偽二級吸附速率參數k2表明，低濃度COD時的吸附速率0.027 g/（mg·h） 要高于高濃度的吸附速率 0.011 g/（mg·h），且不同初始COD濃度下的理論最大吸附量接近于實際最大吸附量，說明此時吸附已達到平衡。從表中還可看出，液膜擴散和化學吸附反應控制吸附的主要速率，隨著滲瀝液中COD濃度的降低，吸附反應逐漸占據主要步驟。

2.3吸附等溫線

為進一步研究木炭對COD的吸附機理，分別將木炭與含有不同初始COD濃度的滲瀝液混合吸附2、12、36 h，其吸附等溫線如圖3所示。分別用Langmuir、Frundlich 2種吸附等溫模型對實驗數據進行擬合，擬合參數見表2。從表2可看出，隨著吸附時間的延長，木炭對COD的吸附逐漸傾向于Langmuir模型。對比Langmuir模型所得參數發現，隨著吸附時間的延長，KL值為正數且逐漸增大，即木炭對COD的自發程度和相對吸附能力逐漸增強，不同時間段下木炭對COD的理論最大吸附量也逐漸增加，分別為 20.08、20.49、29.07 mg/g，接近于實際所得最大吸附量。在Freundlich方程中，一般認為n越大吸附性能越強，當n值在1～2時表示吸附易進行［14］。對比表中n值可知，由于吸附初期液膜擴散及后期化學吸附反應對吸附速率的影響，n（12 h）＞n（36 h）＞n（2 h）＞1.5，且每個時間段吸附都易進行。

圖3 吸附等溫線

表2　Langmuir和Freundlich模型的擬合結果

3　　結論

1） 研究吸附實驗時，要充分延長吸附時間，本實驗將木炭與滲瀝液混合吸附60 h后發現，吸附在36 h時基本趨于平衡，此時2 179、1 164、414 mg/L初始COD濃度的滲瀝液中COD去除率分別為65.91%、84.03%、89.79%，單位吸附量分別為27.87、24.45、9.28 mg/g。

2）木炭對COD的吸附符合偽二級吸附動力學吸附過程中液膜擴散和化學吸附反應控制吸附的整體速率，且隨著滲瀝液中初始COD濃度的降低，吸附速率加快，化學吸附反應逐漸成主要控制步驟。

3）進一步研究發現，不同時間段下，木炭對COD的吸附都極易進行，且吸附符合Langmuir模型，為單層化學吸附。隨著吸附時間的延長Langmuir擬合度逐漸升高，木炭對COD的相對吸附能力逐漸增強。

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COD Adsorption Characteristics of Landfill Leachate by Using Wood Charcoal

Li Guangke，Song Jiaojiao，Li Yun，Wang Yiping，Wang Congying
（College of Environmental Science and Resources，Shanxi University，TaiyuanShanxi030006）

The adsorption of COD in the landfill leachate by wood charcoal was investigated in this study.The adsorption processes were investigated by pseudo-first order and pseudo-second order as well as Langmuir and Frundlich.The results showed that，an adsorption equilibrium wasobtained at 36 h after operation.89.79%，84.03%，65.91%of the total COD in the landfill leachate were removed at the initial COD concentrations of 414，1 164，2 179 mg/L.The adsorption capacities were 9.28，24.45，27.87 mg/g respectively.The adsorption process of COD by wood charcoal was well described by Langmuir and pseudo-second-order models.Film diffusion and chemical adsorption reaction were the key factors influencing the absorption rates.The resultsshowed that wood charcoal waseffective to remove majority of the COD from landfill leachate.

wood charcoal；landfill leachate；adsorption kineticsmodel；adsorption isotherm

X703

A

1005-8206（2016）01-0011-03

李廣科（1971—），博士學位，教授，主要從事固體廢物處理、處置及資源化研究。

山西省回國留學人員科研項目（2012-009）；山西省科技攻關計劃項目（20120313009-2）

2015-09-01