微波裂解垃圾固體殘留物吸附含酚廢水研究

王 濤，李 敏，陳 虹，黃文恒

（1．四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，四川 自貢643000；2．內(nèi)江師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，四川 內(nèi)江641112）

微波裂解垃圾固體殘留物吸附含酚廢水研究

王 濤1，李 敏1，陳 虹1，黃文恒2

（1．四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，四川 自貢643000；2．內(nèi)江師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，四川 內(nèi)江641112）

利用垃圾微波裂解后固體殘留物中的活性炭成分進(jìn)行含酚廢水的吸附試驗(yàn)，考察了垃圾用量、吸附時(shí)間、吸附溫度、pH值等因素對吸附效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，垃圾用量為10g，吸附溫度25℃，pH值為6．20，振蕩吸附時(shí)間3．5h的條件下，苯酚吸附效果達(dá)到最佳，苯酚在固體殘留物上的吸附符合Freundlich等溫吸附模型，其吸附動(dòng)力學(xué)行為符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程式，屬于內(nèi)擴(kuò)散控制過程。

含酚廢水；微波裂解；吸附動(dòng)力學(xué)；活性炭

含酚廢水是一種污染范圍極廣的工業(yè)廢水，酚類化合物是一種原質(zhì)型毒物，對一切生物個(gè)體都有毒害作用，酚的毒性能大大抑制水中微生物的生長速度，影響水的生態(tài)平衡，使用含酚廢水灌溉農(nóng)田，也會(huì)影響作物生長，危及人體健康，因此研究出含酚廢水處理方法［1～3］在環(huán)保和工業(yè)中具有一定的參考價(jià)值。

目前含酚廢水的處理方法有很多，如溶劑萃取法、活性污泥法、吸附法、厭氧法、化學(xué)法、電化學(xué)法等，其中吸附法是處理含酚廢水的有效方法之一。活性炭對含酚廢水具有良好的吸附效果［4～6］，但是其昂貴的價(jià)格增加了廢水處理的成本，因而限制了其廣泛應(yīng)用，固體垃圾經(jīng)微波裂解后得到可再利用的裂解氣和殘余固體，殘余固體中含有50%左右的活性炭成分和少量金屬離子。本實(shí)驗(yàn)以殘余固體中的活性炭［7～10］作為吸附劑吸附廢水中的酚，并考察了吸附劑的吸附性能，以達(dá)到綜合利用的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

苯酚、4-氨基安替比林、鐵氰化鉀、氨水、氯化銨等分析純試劑。

1．2 主要實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

UV759型紫外分光光度計(jì)，DKA－450A電熱恒溫振蕩水槽，PHS－3C精密酸度計(jì)，X射線熒光光譜儀等。

1．3 分析方法

溶液中酚的濃度采用4-氨基安替比林分光光度法［11～12］進(jìn)行測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1 吸附時(shí)間對吸附效果的影響

于8個(gè)錐形瓶中分別加入10 mg·L－1苯酚溶液100 mL和10 g垃圾炭粉末，25℃恒溫振蕩，分別吸附1．0、1．5、2．0、2．5、3．0、3．5、4．0和4．5 h后取樣測定溶液中苯酚的剩余濃度，作吸附時(shí)間與吸附量關(guān)系圖。

圖1 吸附時(shí)間對吸附效果的影響

由圖1可以看出，隨著吸附時(shí)間的增加，垃圾炭粉末對苯酚的吸附量逐漸升高，當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)3．5h時(shí)，苯酚在垃圾炭上的吸附基本達(dá)到平衡，實(shí)驗(yàn)吸附平衡時(shí)間取3．5 h。

2．2 垃圾炭最佳用量的選擇

分別取10 mg·L－1苯酚溶液100 mL加入到8個(gè)250 mL錐形瓶中，再加入4．00 g、5．00 g、6．00 g、7．00 g、8．00 g、9．00 g、10．00 g和11．00 g垃圾炭粉末，在25℃條件下恒溫振蕩3．5 h后測定溶液中苯酚的剩余濃度，做垃圾用量與剩余苯酚濃度之間的關(guān)系圖。

圖2 垃圾用量對吸附效果的影響

由圖2所示隨著垃圾炭粉末用量的增加，吸附反應(yīng)進(jìn)行較快，酚去除率上升，溶液中苯酚剩余濃度下降明顯，當(dāng)垃圾炭用量達(dá)10 g時(shí)，酚去除率可達(dá)84．24%，進(jìn)行二次吸附后即可達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)確定垃圾炭最佳用量為10 g。

2．3 吸附等溫線

取6個(gè)錐形瓶分別加入10 mg·L－1苯酚溶液100 mL和不同量的垃圾炭粉末，放入恒溫水浴震蕩槽在25℃、30℃、35℃和40℃下分別吸附3．5 h，做吸附量與平衡苯酚濃度的關(guān)系圖。

圖3 苯酚溶液等溫吸附線

從圖3可知一定范圍內(nèi)垃圾炭對苯酚的吸附量隨著溶液中苯酚平衡濃度的增加而增加，該吸附劑對高濃度的含酚廢水有較大的吸附量，效果更明顯。我們選用常用的Langmuir吸附等溫式進(jìn)行分析：

（1）Langmuir吸附等溫線

Langmuir吸附等溫方程［13］的形式如下：

式中：qe—平衡吸附量，mg·g－1；Ce—為平衡濃度，mg·L－1；qm—為飽和吸附量，mg·g－1；Kb—為結(jié)合常數(shù)，L·mg－1。

將圖3所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Langmuir線性擬合，其結(jié)果如表1所示。

表1 Langmuir擬合方程及參數(shù)

由表中數(shù)據(jù)可以看出Langmuir吸附模型有較好的擬合效果，線性擬合度均在0．98以上，平衡吸附量隨溫度增加而增大，吸附為單分子層吸附。

2．4 最佳pH的選擇

分別取10 mg·L－1苯酚溶液100 mL加入8個(gè)錐形瓶中，調(diào)節(jié)各苯酚溶液的pH值分別為3．60、4．45、5．20、6．20、7．20、8．20、9．15和10．00， 然后加入定量垃圾炭粉末，于25℃條件下恒溫振蕩3．5 h，測定各pH下溶液的吸光度并計(jì)算苯酚的剩余濃度，做pH值與苯酚去除率之間的關(guān)系圖（圖4）。

從圖4可以看出苯酚溶液pH值為3．60時(shí)的去除率最高，達(dá)到80．74%，其次是溶液pH值為4．45和6．20時(shí)都達(dá)到了80．47%。根據(jù)金屬離子熒光分析測定報(bào)告可知，之所以出現(xiàn)如圖4所示的不規(guī)律變化，是由于在不同酸堿條件下，碳含量發(fā)生了變化，另外當(dāng)溶液呈酸性和堿性時(shí)，垃圾粉末中的Ba元素含量增加，垃圾在進(jìn)行深度處理時(shí)對環(huán)境會(huì)造成二次污染，溶液中加入酸堿溶液，會(huì)腐蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)備，增加設(shè)備費(fèi)用，因此通過對比分析確定pH＝6．20為最佳吸附pH值，可近似認(rèn)為最佳pH條件為中性。

圖4 苯酚去除率與溶液pH值關(guān)系曲線

3 吸附動(dòng)力學(xué)研究

在13個(gè)燒杯中分別加入10 mg·L－1苯酚溶液100 mL和最佳量垃圾炭粉末，分別在25℃和30℃條件下恒溫振蕩，做吸附時(shí)間與苯酚剩余濃度的關(guān)系圖，同理再對20 mg·L－1、30 mg·L－1和40 mg·L－1苯酚溶液進(jìn)行研究。

圖525 ℃溶液靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)曲線

圖630 ℃溶液靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)曲線

把10 mg·L－1苯酚溶液分別在298K和303K下測得的相關(guān)數(shù)據(jù)代入一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程式［13］：

lnCt=lnC0-kt（3）

式中：C0、Ct分別為初始質(zhì)量濃度和時(shí)間時(shí)的質(zhì)量濃度，mg·L－1；k為吸附速率常數(shù)，min－1。 以lnCt對t進(jìn)行線性擬合，擬合方程及參數(shù)如表2所示。

表2 動(dòng)力學(xué)擬合方程及參數(shù)

由lnCt對t的線性關(guān)系可知，苯酚在垃圾粉末上的吸附符合一級(jí)吸附規(guī)律，把相關(guān)數(shù)據(jù)代入阿累尼烏斯方程［13］：

求得活化能Ea＝50．82 kJ·mol－1， 據(jù)文獻(xiàn)［14］報(bào)道，苯酚在活性炭上的吸附活化能為36．84～51．46 kJ·mol－1，由此可知苯酚在垃圾粉末上的吸附較易進(jìn)行。

把10 mg·L－1苯酚溶液在298K和303K下測得的相關(guān)數(shù)據(jù)代入內(nèi)擴(kuò)散公式［15］：

式中：Qt為t時(shí)間下苯酚的吸附量，mg·g－1；K為內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)，mg·min－0．5·g－1；以lgQt對lgt進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如表3所示。

表3 內(nèi)擴(kuò)散擬合方程及參數(shù)表

同樣把相關(guān)數(shù)據(jù)代入外擴(kuò)散公式［15］：

式中：Qe為苯酚溶液的平衡吸附量，mg·g－1；K0為外擴(kuò)散系數(shù)，mg·min－0．5·g－1；以-ln對t進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如表4所示。

表4 外擴(kuò)散擬合方程及參數(shù)

從表3和表4可知苯酚在垃圾炭粉末上的擴(kuò)散以內(nèi)擴(kuò)散控制為主，內(nèi)擴(kuò)散速率決定了整個(gè)吸附過程的總擴(kuò)散速率。

4 結(jié)論

在垃圾炭用量10 g左右，吸附溫度25℃，振蕩時(shí)間3．5 h，酸堿度接近中性的條件下，苯酚吸附效果達(dá)到最佳狀態(tài)，吸附過程符合Langmuir等溫吸附模型，吸附屬于內(nèi)擴(kuò)散控制過程。

苯酚溶液的初次吸附濃度雖未達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 8978－1996），但通過二次吸附后即達(dá)標(biāo)，這主要是由于垃圾粉末活性炭的微孔未能充分打開，加之在垃圾微波裂解時(shí)可能吸附了其它物質(zhì)，減少了活性表面，影響了吸附效果，若是實(shí)驗(yàn)前先把所用的垃圾炭粉末進(jìn)行預(yù)處理，吸附效果會(huì)更好，完全能達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，通過后續(xù)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行驗(yàn)證。

用微波裂解垃圾固體殘留物吸附含酚廢水是一種 “以廢治廢”的思路，有利于垃圾的綜合利用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為相關(guān)研究提供理論參考。

［1］ 林齊平．含酚廢水治理技術(shù)的進(jìn)展 ［J］．水處理技術(shù)，1993，19（3）：174-180．

［2］ 喻淼，褚意新．含酚廢水處理的方法及其進(jìn)展［J］．天中學(xué)刊，2004，19（5）：35-37．

［3］ 陳美玲．含酚廢水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．化學(xué)工程師，2004，（2）：48-51．

［4］ 張萌，尹連慶，李若征，等．特種活性炭處理含酚廢水的實(shí)驗(yàn)研究［J］．煤炭工程，2010，（6）：82-84．

［5］ 勞善根．活性炭厭氧濾池處理含酚廢水小型試驗(yàn)［J］．水處理技術(shù)，1994，20（4）：241-244．

［6］ 崔曉靜．改性膨潤土吸附處理含酚工業(yè)廢水的研究［D］．成都：四川大學(xué)，2006．

［7］ 謝立平，林偉剛，楊學(xué)民．城市固體有機(jī)廢棄物制備中孔活性炭［J］．過程工程學(xué)報(bào)，2002，2（5）：465-469．

［8］ 謝立平，林偉剛，楊學(xué)民．城市固體有機(jī)廢棄物綜合利用新工藝［J］．環(huán)境工程，2002，20（6）：52-54．

［9］ 柴曉利，郭強(qiáng)，李玉亮，等．酚類化合物在礦化垃圾中吸附性能的研究［J］．環(huán)境化學(xué)，2007，26（2）：164-167

［10］ 田憶凱，陳榮，金曉龍，等．國外城市垃圾處理的新趨勢［J］．環(huán)保與安全，2000，7（2）：26-29．

［11］ 國家環(huán)境保護(hù)總局．水和廢水檢測分析方法（第4版）［M］．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002．

［12］ 張麗萍，王蓉，李偉輝，等．廢水中苯酚的測定方法研究［J］．現(xiàn)代儀器，2006，（6）：60-65．

［13］ 王正烈，周亞平，李松林，等．物理化學(xué)（第4版，下冊）［M］．北京：高等教育出版社，2001．167-219

［14］ 王紅斌，楊敏，陳毅堅(jiān)，等．活性炭自水溶液吸附苯酚的熱力學(xué)探討［J］．云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，12（4）：220-222．

［15］ 鹿政理，譯．吸附的基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1983．

Study on Adsorption of Solid Waste with Microwave Pyrolysis for Phenol Wastewater

WANG Tao1，LI Min1，CHEN Hong1，HUANG Wen-heng2
（1．Department of Material and Chemical Engineering，Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000，China；2．College of Chemistry and Life Science，Neijiang Novmal University，Neijiang 641112，China）

The active carbon in the solid waste pyrolysised by micro－waves was applied to the adsorption treatment test of the wastewater with phenol content．The activated carbon dosages，reaction time，reaction temperature，pH value and other factors which influenced the treatment effect of wastewater were studied．The experiment results showed that under the conditions of about 10 g of waste dosage，absorption temperature of 25℃and oscillation time of 3．5 h，the absorption effect of phenol reached its peak，and the absorption of the phenol on the solid waste could be described in a better way by using Freundlich isothermal absorption model．The dynamics behavior was in accordance with the first dynamics formula，and belonged to the internal diffusion control procedure．

phenol wastewater；microwave pyrolysis；adsorption kinetics；activated carbon

X 703

A

1671-9905（2011）06-0049-04

王濤（1983-），男，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛し蛛x與吸附；E-mail：wt209＠126．com

陳虹（1961-），女，四川安岳人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榛髻|(zhì)與分離，E-mail：ch2305＠163．com

2011-03-16