活性炭处理环己酮废水研究

2012-06-21王永义潘中耀彭清静

绿色科技 2012年2期

关键词：氯苯锥形瓶等温

王永义，潘中耀，彭清静

（1.河南省驻马店农业学校，河南驻马店 463000；2.吉首大学生物资源与环境科学学院，湖南吉首 416000）

1 引言

环己酮是一种重要的溶剂和有机化工中间体，我国每年产生大量的环己酮废水。环己酮废水排入自然界会改变土壤性质，恶化水质，污染空气，引起生物群落结构变化，导致生态失衡；环已酮进入人体可导致中毒，且有一定的致癌作用［1］。

目前，环己酮废水通常采用重油燃烧法与微生物降解法处理。重油燃烧法处理效率虽高，但费用高、空气污染严重，而微生物降解法处理效率偏低［2］。因此，探索经济高效的环已酮废水处理方法具有十分重要的意义。

吸附法是一种操作简便、可实现废水有用成分回收利用、对高低浓度废水均适用的物理化学方法，已大量用于废水处理，是解决水资源供需矛盾和防止环境污染的重要途径［3，4］。本文以模拟环己酮废水为对象，研究了活性炭对环己酮的吸附特性。

2 材料与方法

药品选用环己酮、三氯甲烷、氯苯、盐酸、氢氧化钠（均为分析纯）、活性炭（ZJ15型）。

废水中环已酮含量测定方法以气相色谱仪（GC900A型）测定环己酮的含量（内标物为氯苯）。

气相色谱仪工作条件为柱温：80℃；氢焰为120℃；汽化为160℃；H2流量为30mL／min；空气为300mL／min；氮氢流量比为1.45∶1；分析柱为内径φ0.25，OV－17毛细管柱。

校正系数的测定，配制4.0g／L的氯苯、环己酮的三氯甲烷溶液，每次取2.0μL溶液注入色谱仪。按公式f＝（mi·As）／（ms·Ai）计算校正系数f［5］。测定结果见表1。

据公式：

式中mi为环己酮的含量，g；Ai为环己酮的峰面积，μv·s；ms为氯苯的含量，g；As为氯苯的峰面积，μv·s。计算出环己酮（mi）的含量。

表1 校正系数测定结果

3 分析与讨论

3.1 等温吸附曲线

配制0.5g／L、1.0g／L、1.5g／L、2.0g／L、2.5g／L、3.0g／L、3.5g／L、4.0g／L的模拟环己酮废水。取各种浓度的环己酮废水100mL置于8个锥形瓶中，分别加入1.0g活性炭。在20℃下吸附60min。测定处理后环己酮的浓度，计算活性炭对环己酮的吸附量。绘制等温吸附曲线。等温吸附曲线与Langmuir模型拟合，得出活性炭吸附量与浓度关系的方程［6，7］。按照同样的方法做30℃时的等温吸附曲线。

由图1可知，20℃时活性炭对环已酮的吸附效果较好，单位质量活性炭吸附环己酮的量随着环己酮浓度的升高而升高。环己酮浓度在2.0g／L之前，上升趋势较快；浓度在2.0g／L之后，上升趋势减缓。说明随着浓度的增加，活性炭的吸附量越来越接近于饱和吸附量。对浓度为2.0g／L环己酮废水中环已酮的去除率达到85.2%。

对图1中的20℃和30℃的吸附等温线用Langmuir吸附等温式处理。得到20℃吸附等温方程式为y20＝0.004 5x＋0.002，相关系数R20＝0.995 9；30℃的吸附等温方程式为y30＝0.006x＋0.002 2，相关系数R30＝0.994 9。

由Langmuir方程：

式中Q为活性炭的吸附量mg（环已酮）／g（活性炭）；k1为Langmuir平衡常数；Qm为饱和吸附量，mg（环已酮）／g（活性炭）。

由图2可以得出，直线斜率1／（k1·Qm）＝0.004 5，截距1／Qm＝0.002，求得Qm＝500.0，k1＝0.44。故20℃时浓度与吸附量的关系式为：Q20＝222.22C／（1＋0.44C）。

图2 Langmuir拟合等温线

同理，30℃时浓度与吸附量的关系式为Q30＝168.18C／（1＋0.37C）。由Langmuir拟合后得出的等温吸附方程可得活性炭对环己酮的饱和吸附量为500.0mg／g，说明活性炭对环己酮的吸附非常容易进行。

3.2 活性炭加入量对吸附量的影响

取100mL 2.0g／L的环己酮溶液8份，置于锥形瓶中，分别加入0.25g、0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g、3.5g活性炭。在 20℃下，振荡吸附60min，过滤各个水样，加入萃取剂后静置30min［8］。测定处理后环己酮的含量并计算去除率。

由图3可知，活性炭加入量越多，其对废水中环己酮的处理效果越好。但随着活性炭加入量的增多，单位质量活性炭吸附环己酮的量减少，活性炭利用率降低。在100mL 2.0g／L的环己酮溶液中，加入2.0g活性炭时环已酮的去除率达到84.3%。在20℃，用活性炭处理环己酮2.0g／L的废水，振荡吸附1h，加入活性炭量以20g／L为宜。

图3 活性炭的加入量对环己酮去除率的影响

3.3 吸附时间对吸附量的影响

取100mL 2.0g／L的环己酮溶液9份，置于锥形瓶中，每份加0.5g活性炭，分别在20℃下振荡吸附 0min、15min、30min、45min、60min、75min、90min、105min、120min过滤水样，加入萃取剂，静置30min。测量处理后的环己酮浓度，计算去除率。

由图4可知，在振荡条件下，60min以前，活性炭对环己酮去除率随时间增加有明显增加；在60min以后，随时间增加，活性炭对废水中环己酮去除率无明显增加，故吸附饱和时间为60min。

图4 时间对去除率的影响

3.4 吸附温度对吸附量的影响

取100mL 2.0g／L的环己酮溶液8份，置于锥形瓶中，每份加0.5g活性炭，温度分别调节为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，45℃。振荡吸附60min，过滤水样，加入萃取剂，静置30min，测量处理后环己酮的浓度，计算去除率。

由图5可知，温度对去除效果的影响非常明显。随温度的升高，活性炭对环己酮的处理率及吸附量均明显降低。在30℃之后，活性炭对环己酮的吸附下降趋势较快。这是因为吸附为放热反应，温度降低，反应容易向正向进行。在工业应用中，尽量将废水的温度降低或者保持常温以提高活性炭的利用率。

图5 温度对去除率的影响

3.5 pH值对吸附量的影响

取100mL 2.0g／L环己酮溶液6份，置于锥形瓶中，采用盐酸溶液或氢氧化钠溶液调节水样的pH 值分别为2，3，4，5，6，7，8和9，分别加入1g活性炭，在20℃时振荡吸附60min，然后将各个锥形瓶内的溶液进行过滤，加入萃取剂，静置30min，测量吸附后环己酮的含量，并计算去除率。

由图6可知，活性炭对废水中环己酮去除率在pH值为5时最大，为163.4mg／g。此时去除率最高，为81.7%。这是由于在弱酸性条件下，分子化程度高，而活性炭对非离解的分子状态比离解的分子状态吸附量大。2.0g／L的模拟环己酮废水的pH值为4.5，而含环己酮的工业废水pH值一般在4～7之间。故不需要加入酸碱调节剂，或加少量酸碱调节剂就能达到较高的去除率。