活性炭脱除焦化废水中酚类污染物

活性炭具有独特的吸附表面结构和表面化学性质，机械强度高，耐酸、耐碱、耐热，不溶于水和有机溶剂，是性能优异的吸附剂。目前活性炭已广泛应用于化工、环保、食品加工、冶金、药物精制、军事化学防护等领域。焦化废水中有较高浓度的酚类、吡啶、呋喃、氯代物、喹啉、氰化物、氨氮等物质，以上污染物多具有生物异质性和有毒性，且可生化性差，因此焦化废水属于难降解工业废水。文章采用改性活性炭去除焦化废水中酚类污染物，同时进一步研究改性活性炭在不同外界环境下对酚类有机污染物吸附效果，以期有效去除废水中酚类污染物。

1 、实验部分

1.1

实验设备和材料

1.1.1

仪器与设备

实验所用的仪器及设备，见表 1 。

1.1.2

实验试剂

分析纯邻甲酚、分析纯对甲酚、色谱纯乙酸乙酯、盐酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钙、氯化钠均购自天津市永大化学试剂有限公司。活性炭来自江苏森森炭业科技有限公司。

1.1.3  检测方法

采用紫外分光光度计对焦化废水中的酚类物质进行检测，选用波长在 200~400nm 之间全扫。邻甲酚的定量波长选取 271nm ，对甲酚的定量波长选取 277nm 。

1.2

实验方法

1.2.1

改性活性炭制备

活性炭于去离子水中浸泡 20min 后洗涤，反复冲洗多次去除杂质，放入马弗炉 105 ℃烘干，放入干燥器中备用。

选取 HCl 、 HNO3 、 KOH 、 Ca(OH)2 作为改性液，将 50g 活性炭和 1.0mol/L 改性液，按照活性炭质量与改性剂量为 1 ∶ 4 的比例放于烧杯中，浸泡 4h 、震荡 4h 、过滤。将改性处理后的活性炭用去离子水洗涤至中性，放入马弗炉 105 ℃条件下干燥后备用。

1.2.2

吸附实验

①向纯水中加入对甲酚，将其配置为 50mg/L 的溶液，往 5 只装有 10mL 对甲酚溶液的离心管中分别加入吸附剂 (HCl 改性、 HNO3 改性、 KOH 改性、 Ca(OH)2 改性、未改性的活性炭 ) ，另一只离心管中加入纯对甲酚水溶液作为对照实验。设置 3 组平行对照试验。

②向纯水中加入邻甲酚，将其配置为 50mg/L 的溶液，往 5 只装有 10mL 邻甲酚溶液的离心管中分别加入吸附剂 (HCl 改性、 HNO3 改性、 KOH 改性、 Ca(OH)2 改性、未改性的活性炭 ) ，另一只离心管中加入纯邻甲酚水溶液作为对照实验。设置 3 组平行对照试验。

将上述离心管放置于水浴恒温振荡器上振荡 30min 。等达到充分吸附平衡状态后，溶液静置 30min ，用滤纸把吸附剂过滤，过滤液进行紫外检测。

1.2.3

正交实验

影响活性炭吸附处理焦化废水中酚类污染物的主要因素包括溶液的 pH 值、反应时间、反应温度、吸附剂的投加量以及溶液的盐度等。该项实验采用五因素四水平的 L16(45) 正交实验设计方案，用 HCl 改性的活性炭吸附邻甲酚，分别改变 5 个因素，其中 5 个因素包括活性炭的投加量、反应溶液的 pH 值、活性炭投加后的振荡时间、溶液的温度、溶液的盐度。以紫外分光光度计检测吸光度作为实验评估标准。实验正交设计，见表 2 。

2 、结果与讨论

2.1

吸附实验

空白对照组中邻甲酚和对甲酚的吸光度分别为 0.913 和 1.313 ，而用活性炭及改性活性炭吸附后，邻甲酚和对甲酚的吸光度均低于空白对照组，说明活性炭对邻甲酚和对甲酚是有吸附作用的。改性活性炭对邻甲酚和对甲酚的吸附效果，见图 1 。

由图 1 可见，盐酸和硝酸改性的活性炭对邻甲酚和对甲酚的吸附效果最好，因为盐酸和硝酸使活性炭的孔隙结构变得更加的丰富，比表面积也随之相应的增大，所以在吸附邻甲酚和对甲酚时效果比较明显。

2.2

正交实验

从吸附实验看出，盐酸改性活性炭对邻甲酚和对甲酚吸附效果最明显，因此在正交实验中活性炭采用盐酸改性活性炭。以 pH 为 9 浓度为 100mg/L 邻甲酚作为空白对照实验，其吸光度为 2.963 ，其他邻甲酚吸光度正交结果，见图 2 。

由图 2 可见，活性炭的投加量、溶液 pH 值、搅拌时间、溶液温度、溶液盐度均可以影响吸附剂的吸附效果。正交实验数据进行极差分析，见图 3 。

其中，因素 A( 活性炭的投加量 ) 的 K11 是 HCl 改性活性炭的投加量为 0.3g/10mL 时四组实验吸光度和的平均值，因素 B( 溶液的 pH 值 ) 的 K11 是溶液 pH 为 6 时四组实验吸光度和的平均值，因素 C( 搅拌时间 ) 的 K11 是搅拌时间为 20min 时四组实验吸光度和的平均值，因素 D( 溶液的温度 ) 的 K11 是溶液温度为 30 ℃时四组实验吸光度和的平均值，因素 E( 溶液的盐度 ) 的 K11 是溶液盐度为 30mg/L 的四组实验吸光度和的平均值；因素 A( 活性炭的投加量 ) 的 K12 是 HCl 改性活性炭的投加量为 0.6g/10mL 时四组实验吸光度和的平均值，因素 B( 溶液的 pH 值 ) 的 K12 是溶液 pH 为 7 时四组实验吸光度和的平均值，以此类推，其他因素的 K1n 的意义。 R1 值是因素 A( 活性炭的投加量 ) 的 K 值中最大值与最小值的差， R2 值是因素 B( 溶液的 pH 值 ) 的 K 值中最大值与最小值的差， R3 值是因素 C( 搅拌时间 ) 的 K 值中最大值与最小值的差， R4 值是因素 D( 溶液的温度 ) 的 K 值中最大值与最小值的差， R5 值是因素 E( 溶液的盐度 ) 的 K 值中最大值与最小值的差，其中 R 值越大，说明它的影响越大，通过比较各因素的 R 值，来找各因素的影响差异。

由图 3(a) 可见，在 HCl 改性的活性炭投加量为 0.3g/10mL(A4) 时，吸光度和的平均值最小，说明此时吸附效果最好。在溶液 pH 为 7(B2) 时，吸光度和的平均值最小，说明此时吸附效果最好， pH 为 9 时吸光度和的平均值最大，说明此时吸附效果不好。在搅拌时间 20min(C1) 时，吸光度和的平均值最小，说明此时吸附效果最好。在溶液温度为 D240 ℃时，吸光度和的平均值最小，说明此时吸附效果最好。在溶液盐度为 40mg/L(E2) 时，吸光度和的平均值最小，说明此时吸附效果最好。

由图 3(b) 可见， R1>R2>R5>R4>R3 ， Rj 越大，则此因素影响越大，从而得出各因素水平对吸附效果的影响大小为 :HCl 改性活性炭的投加量 > 溶液 pH 值 > 溶液的盐度 > 溶液的温度 > 搅拌时间。设计的实验组合以 A4B2C1D2E2 的组合最好，所以吸附的最佳条件为 :HCl 改性的活性炭投加量为 1.5g/10mL ，反应溶液的 pH ＝ 7 ，搅拌时间为 20min ，溶液温度为 40 ℃，溶液的盐度 40mg/L 。进一步利用这一吸附最佳条件对废水中邻甲酚和对甲酚进行去除，发现邻甲酚和对甲酚的含量明显下降。

3 、结论

(1) 改性处理对活性炭的吸附效果有明显的改善，其中经盐酸改性的活性炭吸附效果最好。

(2) 研究表明，活性炭投加量和溶液 pH 值对于盐酸改性活性炭的吸附效果影响较为显著。在一定范围内，盐酸改性活性炭投加量越大，吸附效果越好；盐酸改性活性炭的最适 pH 值为 7.0 。