污泥活性炭去除廢水中剛果紅的工藝研究

胡志強，王 康，盛 蒂，程 貝，胡 畔

(蚌埠學院 化學與環境工程系，安徽 蚌埠 233030)

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污泥活性炭去除廢水中剛果紅的工藝研究

胡志強，王 康，盛 蒂*，程 貝，胡 畔

(蚌埠學院 化學與環境工程系，安徽 蚌埠 233030)

以城市污水處理廠污泥為原料，采用KOH浸漬、微波加熱制備污泥活性炭。通過單因素試驗探討了廢水pH值、吸附溫度、固液比、吸附時間等對污泥活性炭去除廢水中剛果紅的影響，并采用正交試驗得出污泥活性炭對廢水中剛果紅去除的最佳條件。研究結果表明：在pH=6.5、吸附溫度30 ℃、固液比12 g/L、吸附時間60 min的條件下，污泥活性炭對廢水中剛果紅去除效果最佳，去除率可達71.9%。

污泥活性炭；剛果紅；去除率

剛果紅(Congo Red, CR)是印染廢水中的一種溶解性雙偶氮染料，在造紙工業中用量頗大。目前處理印染廢水的常用方法有：化學混凝法、化學氧化法、生物處理法、吸附法等[1-2]。其中活性炭吸附法對去除溶解性有機染料有很好的效果，但活性炭的成本高，不能廣泛使用[3]。因此，為降低吸附劑的生產成本，利用廢棄材料生產新型吸附劑成為近年來研究的熱點之一[4]。城市污水處理廠剩余污泥中含有的有機物和腐殖質等是一種可利用的資源，通過一定方法熱解處理，可將污泥制備成含碳吸附劑[5-7]。利用城市污水處理廠污泥制備活性炭，在廢水處理中具有較好的吸附效果[8-10]。本研究以城市污水處理廠的污泥為原料，利用KOH活化方法制備污泥活性炭，研究了廢水pH值、吸附溫度、固液比、吸附時間對模擬廢水中剛果紅去除的影響，為污泥活性炭用于印染廢水處理工業化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器：電熱鼓風干燥箱(DHG-9053A型，上海風棱實驗設備有限公司)；回旋式振蕩器(HY-5型，金壇市宏華儀器廠)；微波爐(JOYN-J1-3型，上海喬躍有限公司)；循環式多用真空泵；電子萬用電爐；PHS-3C型pH計；水浴恒溫振蕩器；低速離心機；紫外-可見分光光度計。

試劑：剛果紅、HCl、NaOH、KOH，均為分析純。

1.2 污泥活性炭的制備

取一定量的污泥鋪于托盤中，放入干燥箱中105 ℃烘3.5 h，取出，冷卻，研磨，過10目篩，備用。稱取10 g研磨過篩后的干污泥于100 mL燒杯中，按固液比(污泥質量與KOH溶液體積比)1：1.5，用0.4 mol/L KOH溶液加蓋浸泡24 h，抽濾，并取其濾渣于坩堝中，加蓋，放入額定功率為850 W的微波爐中加熱420 s，取出冷卻，用沸水充分浸洗2次，再用3 mol/L稀鹽酸洗3次，最后用蒸餾水多次洗滌直至pH>5，然后在干燥箱中于120 ℃下烘24 h，即得污泥活性炭，過150目篩后放入干燥瓶中，密封保存，備用。

1.3 吸附實驗

采用靜態吸附實驗，配制剛果紅溶液，在室溫下放置1～2天，直至其吸光度保持不變；分別向一系列具塞錐形瓶中加入5.0 mg/L的剛果紅溶液50 mL，調整剛果紅溶液pH值、污泥活性炭投加量、吸附溫度、吸附時間等參數，控制某一變量時，其他參數相同，將具塞錐形瓶放入回旋式振蕩器，控制150 r/min的振蕩速度，到達吸附時間后取出，在轉速為3000 r/min離心機中離心30 min，取上層清液(以蒸餾水作為參比溶液)測定吸光度，計算剛果紅的去除率。

1.4 分析方法

采用可見分光光度法在498 nm處分別測定剛果紅溶液的吸光度值確定剛果紅的濃度[11]。根據測定結果，計算相應去除率。去除率計算公式如下：

式中：D-去除率，%；C0-初始時CR溶液濃度，mg/L；Ct-吸附平衡時CR溶液濃度，mg/L。

2 結果與分析

2.1 pH值對污泥活性炭去除廢水中剛果紅的影響

取50 mL廢水樣置于6個干燥具塞錐形瓶中，用鹽酸或氫氧化鈉調節溶液pH值分別為4、5、6、7、8和9，水樣中剛果紅的濃度均為5.0 mg/L，另加入0.50 g粒徑為150目的污泥活性炭；將錐形瓶置于溫度為30 ℃、振速為150 r/min的回旋式振蕩器中振蕩60 min后，將水樣置于轉速為3000 r/min離心機中離心30 min；取其上層清液測其吸光度，計算去除率，結果如圖1所示。

圖1 廢水pH值對剛果紅去除率的影響

從圖1可以看出，pH在4～9范圍內，隨pH值不斷增大，去除率先增大后減小，約在pH=6.5時，去除率達到最大值；在pH=4時，去除率為52.4%，高于pH=8時的去除率，這說明酸性環境有利于污泥活性炭對染料廢水的去除；而在7～9范圍內，隨pH值繼續增大，且剛果紅離解帶負電荷，溶液中存在的質子不斷減少，能中和的離解帶負電荷的剛果紅減少，即對剛果紅的去除不斷減少，從而去除率不斷降低[12]。因此，最佳溶液pH=6.5，后續試驗均在該pH值下進行。

2.2 吸附溫度對污泥活性炭去除廢水中剛果紅的影響

保證其他條件不變(pH=6.5，活性炭粒徑為150目，投加量均為0.5 g，振蕩60 min)，設置吸附溫度分別為20 ℃、25 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，測其吸光度，計算去除率，結果如圖2所示。

圖2 吸附溫度對剛果紅去除率的影響

從圖2可以看出，在吸附溫度為20 ℃～30 ℃范圍內，隨溫度增加，去除率也逐漸增加，說明溫度增加有利于吸附進行，即該反應應該是吸熱的過程，但當溫度在30 ℃～50 ℃，溫度對去除效果影響不大，所以該實驗溫度宜選30 ℃。

2.3 污泥活性炭投加量對廢水中剛果紅去除的影響

保證其他條件不變(pH=6.5，活性炭粒徑為150目，振蕩60 min，吸附溫度為30 ℃)，使活性炭投加量與剛果紅溶液體積比(固液比)分別為2 g/L、6 g/L、10 g/L、14 g/L、18 g/L，測其吸光度，結果如圖3所示：

圖3 固液比對剛果紅去除率的影響

從圖3可以看出，在固液比為2～18 g/L范圍內，隨著固液比不斷增加，去除率逐漸上升，這是因為在一定體積的剛果紅溶液里，隨活性炭投加量的增加，其與剛果紅染料有效接觸面積增大，同時，活性部位的濃度也不斷增大，導致吸附性能增加，去除率增大。但當活性炭投加量與剛果紅溶液的體積比達10 g/L以后，隨著投加量增加，去除率增加較緩慢，這是因為廢水中剛果紅不斷被吸附，過多的活性炭與剛果紅的接觸機率減小，可吸附的染料量不斷減少，導致去除率增加緩慢。考慮到實際成本，活性炭投加量與剛果紅溶液的體積比為10 g/L相對合理。

2.4 吸附時間對污泥活性炭去除廢水中剛果紅的影響

保證其他條件不變(pH=6.5，活性炭粒徑為150目，投加量均為0.5 g，吸附溫度為30 ℃)，改變振蕩(吸附)時間分別為20 min、40 min、60 min、80 min、100 min，測其吸光度，結果如圖4所示。

2.5 污泥活性炭最佳吸附條件的確定

根據單因素實驗的結果，選取影響污泥活性炭對廢水中剛果紅去除有意義的因素水平做正交試驗，對結果進行極差分析，以確定最佳的吸附條件。采用L9(34)正交表，以pH值(A)、固液比 (B)、吸附時間(C)、吸附溫度(D)作為4個考察因素，選取3個水平進行試驗。

圖4 吸附時間對剛果紅去除率的影響

從圖4可以看出，在吸附時間為20～100 min范圍內，隨吸附時間不斷增加，去除率也逐漸呈上升趨勢，但是剛開始增加較快，這是因為污泥活性炭與廢水長時間接觸，反應更充分。而在60 min時吸附接近平衡，去除率增加不明顯。考慮到環保與節能，本實驗宜選60 min作為吸附時間。

表1 污泥活性炭吸附廢水中剛果紅L9(34)正交試驗的因素水平表

按表1的正交因素水平設計L9(34)正交試驗，結果見表2。

由表2知，試驗6污泥活性炭對廢水中剛果紅去除率最大，達到了71.2%，根據極差分析結果可以看出，4個因素對污泥活性炭去除剛果紅的影響大小依次為pH值(A)>固液比(B) >吸附時間(C)>吸附溫度(D)。4個因素中，pH值和固液比的影響較為顯著，其中，pH值的影響最為顯著。在實驗設計范圍內，優化得到泥活性炭去除廢水中剛果紅的最佳條件為A2B3C2D2，即pH=6.5、污泥活性炭投加量與剛果紅溶液的體積比為12 g/L、吸附溫度為30 ℃、吸附時間為60 min為最佳條件。

2.6 驗證實驗

按A2B3C2D2條件進行3次平行實驗，即廢水溶液pH=6.5、固液比為12 g/L、吸附溫度為30℃、吸附時間為60 min，測其吸光度并計算去除率，平均值為71.9%，高于表2中任何一項試驗結果，故A2B3C2D2為最佳去除條件。

表2 L9(34)正交試驗結果表

3 結論

以污泥為原料制得的活性炭吸附剛果紅模擬廢水，影響其吸附效果因素順序為pH值>固液比>吸附時間>吸附溫度。本實驗采用正交試驗法優化得出污泥活性炭對廢水中剛果紅的最佳去除條件：pH=6.5、固液比12 g/L、吸附溫度30℃、吸附時間60 min，得到污泥活性炭對廢水中剛果紅去除率為71.9%。

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(責任編輯：熊文濤)

Removal of Congo Red from Waste Water by Sludge Activated Carbon

Hu Zhiqiang, Wang Kang, Sheng Di*, Cheng Bei, Hu Pan

(DepartmentofChemistryandEnvironmentalEngineering,BengbuUniversity,Bengbu,Anhui233030,China)

The sludge from a municipal sewage treatment plant was used as raw material to produce activated carbon by potassium hydroxide impregnation method of microwave, and its removal process of Congo red was studied in waste water. The parameters were investigated, including the pH of waste water, the temperature, the solid-liquid ratio, and the adsorption time for the Congo red removal by sludge activated carbon. The optimum conditions determined by orthogonal experimental design were the pH of waste water of 6.5, the removal temperature of 30 ℃, the solid-liquid ratio of 12 g/L, and adsorption time of 60 min. Under these conditions, Congo red removal rate could reach 71.9% in the waste water.

sludge activated carbon; Congo red; removal rate

2016-06-17

國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201411305014)；蚌埠學院工程研究中心項目(BBXYGC2013B01)

胡志強(1994- )，男，安徽蚌埠人，蚌埠學院化學與環境工程系學生。

盛 蒂(1980- )，女，安徽淮南人，蚌埠學院化學與環境工程系副教授，博士研究生，本文通信作者。

X705

A

2095-4824(2016)06-0033-04