活性炭陽離子改性及其在印染廢水中的應用

李魯彪，吳 朗，余德游，吳明華

（1.浙江理工大學材料與紡織學院，浙江杭州310018；2.浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室，浙江杭州310018）

隨著工業社會的發展，水環境污染已經逐漸破壞了地球的生態平衡，并且加劇了水資源的缺乏，嚴重威脅到人類的生存環境。水資源缺乏已經成為阻礙我國社會進步和經濟發展的重大因素之一,因此，急切需要提高廢水處理的技術水平，緩解水資源短缺問題[1-2]。活性炭因具有比表面積大、性質穩定且廉價的優點[3]，已經廣泛應用于印染廢水的吸附處理。活性炭本身疏水，對極性污染物的吸附性能較差，而印染廢水中含有大量的印染助劑和染料，其中大部分為陰離子性污染物，不能被活性炭有效去除[4-6]。目前，國家對印染廢水的排放要求更加嚴格，排放指標由二級指標COD 180 mg/L提高為一級指標50 mg/L，僅采用現有的一般印染廢水處理方法，難以達到排放標準要求。為此，本實驗采用陽離子改性劑對活性炭進行改性，在活性炭表面引入陽離子基團，以增加其對陰離子（性）物質的吸附。通過研究吸附劑用量、吸附時間及pH，探討活性炭改性對印染廢水的吸附能力及最優吸附條件，以期更有效地去除印染廢水的COD。

1 實驗

1.1 材料與儀器

二沉池出水口印染廢水（COD 221 mg/L，杭州華絲夏莎紡織科技有限公司）；接枝劑WL（自制，環氧丙烷類季銨鹽），COD專用耗材LH-D、LH-E（蘭州連華環保科技有限公司），氫氧化鈉、硫酸、活性炭、鄰苯二甲酸氫鉀（均為分析純）。

SHA-B型數顯恒溫振蕩器（常州國華電器有限公司），5B-1（F）型COD快速測定儀（蘭州連華環保科技有限公司），PHS-3C型數顯酸度計（杭州雷磁分析儀器廠），SHB-ⅢA循環水式多用真空泵（上海豫康科教儀器設備有限公司），DGG-9053A型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海森信實驗儀器有限公司），DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（杭州大衛科教儀器有限公司）。

1.2 活性炭改性

將粉末活性炭用熱的去離子水漂洗多次，使用抽濾機除水后在105℃下烘24 h，冷卻后密封在儲罐中備用。

在恒溫恒濕條件下，稱取2.00 g活性炭于燒杯中，并依次加入去離子水、接枝劑WL和NaOH。充分攪拌后放入70℃恒溫磁力攪拌器中反應35 min。反應結束后抽濾，用去離子水反復清洗（去除吸附在活性炭表面未反應的接枝劑WL和NaOH），于105℃烘箱中烘干后放在恒溫恒濕房，靜置24 h后稱重。

1.3 印染廢水的處理及測試

在恒溫恒濕條件下，分別稱取一定量的吸附劑在錐形瓶中，然后加入100 mL印染廢水，用NaOH和硫酸調至一定pH，充分搖勻后放入25℃恒溫振蕩水浴鍋中處理一段時間，靜置2 h，取上清液測定COD并計算COD去除率：

式中：COD0為印染廢水的初始COD，COD1為經吸附劑處理后的COD。

2 結果與討論

2.1 印染廢水處理工藝對COD的影響

2.1.1 吸附劑用量

如圖1所示，隨著吸附劑用量的增加，活性炭表面積增大，吸附的污染物增多，COD逐漸降低。當活性炭用量為80 g/L時，COD降到近100 mg/L。繼續增加活性炭用量，COD趨于恒定。這可能是印染廢水中能被活性炭吸附的污染物已基本除去，當用量在80 g/L時，既能有效吸附污染物，又能節約成本。而當改性活性炭用量小于20 g/L時，隨著改性活性炭用量的增加，COD的下降速度很快；當改性活性炭用量為20 g/L時，廢水COD可達52 mg/L；繼續增加改性活性炭用量時，COD下降緩和并趨于恒定。這是由于活性炭經改性后成陽離子改性活性炭，其表面的陽離子能夠有效地吸附廢水中帶陰離子的極性污染物，最后剩余的是改性活性炭不能吸附的污染物。從以上分析可知，活性炭經陽離子改性后處理廢水的效果有明顯提高，并且活性炭用量也大幅降低。

圖1 吸附劑用量對印染廢水COD的影響

2.1.2 吸附時間

如圖2所示，隨著吸附時間的延長，印染廢水的COD均逐漸降低。在最初的2 h內，活性炭處理使COD下降較快（從213降到112 mg/L），說明活性炭在這個時間段大量地吸附印染廢水中的污染物。而吸附3 h后，COD雖仍在降低，但降低速度漸緩。這主要是因為活性炭對印染廢水污染物的吸附和解吸已達平衡。因此，活性炭處理印染廢水的吸附平衡大致為3 h，此時COD為104 mg/L。改性活性炭吸附印染廢水初期COD降低速度較快，這主要是離子作用力的緣故，同時說明改性活性炭對印染廢水中污染物的吸附還未達到平衡。當改性活性炭吸附超過2 h時，繼續延長吸附時間，COD減小緩慢并趨于恒定（54 mg/L）。因此，改性活性炭吸附2 h效果最佳。活性炭經改性后，對印染廢水污染物的吸附平衡時間也有所縮短。

圖2 吸附時間對印染廢水COD的影響

2.1.3 pH

如圖3所示，隨著pH的增大，印染廢水的COD均先減小后增大。當pH=5時，活性炭吸附印染廢水的COD最低（104 mg/L）；繼續增大廢水pH，COD逐漸增大。這是因為在酸性條件下，活性炭表面吸附H+帶正電，有利于吸附印染廢水中的陰離子污染物，有利于去除活性炭表面的灰分，從而增大孔容積，增強對污染物的吸附能力。因此，活性炭處理印染廢水的最適pH為5。對于改性活性炭，當pH=4時，COD最低（12 mg/L）。這是因為pH會影響改性活性炭及廢水中污染物的帶電性，從而影響兩者之間的吸附力。因此，改性活性炭處理印染廢水的最適pH為4。

圖3 pH對印染廢水COD的影響

2.2 吸附劑處理印染廢水的效果

吸附劑處理印染廢水的COD去除率見表1。

表1 吸附劑處理印染廢水的COD去除率

由表1可知，改性活性炭處理印染廢水的COD去除率可達94.6%，而活性炭處理的COD去除率僅為52.9%。由此可知，活性炭經改性后吸附能力有很大的提升，并且改性活性炭用量是活性炭用量的1/4，吸附時間也有所縮減，降低了印染廢水處理成本，節約了能源。

3 結論

（1）活性炭吸附印染廢水的優化工藝條件：活性炭用量80 g/L，吸附3 h，pH=5，處理后印染廢水的COD為104 mg/L。

（2）采用接枝劑WL改性的活性炭處理印染廢水的優化工藝條件：改性活性炭用量20 g/L，吸附2 h，pH=4，處理后印染廢水的COD為12 mg/L，達到了國家印染廢水一級排放標準。