廉價煤基活性焦對精制棉黑液吸附可行性實驗研究

謝 松，盧勝濤，王金增

（河北大學 生命科學學院，河北 保定071002）

1 引言

精制棉是一種應用廣泛的工業基礎原料，主要用于制造纖維素酯類、醚類及其他纖維素衍生物該產品，在纖維素醚、涂料、火炸藥、造紙、航天、塑料等工業領域有著廣泛的作用［1］。精制棉的生產是由棉短絨經堿法蒸煮漂白等工藝反復精制處理所得。它是一種聚合度在10 000～15 000之間，均勻疏松的棉纖維［2］。精制棉黑液就是在精制棉的生產過程中，經過堿法蒸煮和漂白工藝產生的高濃度的有機廢水，因其顏色深黑又可簡稱為精制棉黑液［3］。

精制棉黑液屬高濃度有機廢水，含有大量的木質素，纖維素、半纖維素、蠟質、油脂與果膠大分子難降解物質。成分中大量的難生化降解的木質素使得精制棉黑液很難經生化處理。而對高濃度難降解有機廢水來說，物化法的應用對提高其可生化性以及降低污染方面有著獨特的優勢。吸附法因其操作簡便處理效果突出而備受青睞。

本實驗中活性焦是一種以褐煤為原料高溫加工而成的吸附材料。褐煤是煤化程度最低的礦產煤，介于泥炭與瀝青煤之間的棕黑色、無光澤的低級煤，含碳量60%～77%，密度約為1.1～1.2，揮發成分大于40%。褐煤在中國的儲量約為2 118億t，但是由于其熱值低，雜質多，所以褐煤一般很少被利用。現在各種材料制成的活性焦在工程上多用于脫硫脫硝［4，5］，而且技術很成熟。但是活性焦用在工業污水的報道很少。因此用煤基活性焦作為吸附介質對精制棉黑液進行吸附處理，對擴展活性焦應用領域很有意義。

2 材料和方法

實驗用精制棉黑液，取自瀘州北方化學工業有限公司，經測定其化學需氧量（COD）為3836mg／L，活性焦由北京大唐電力有限公司提供。

2.1 活性焦的前處理

用去離子水對活性焦進行清洗，去除活性焦表面一些附著的雜質；洗到清洗水變為透明為止，將洗好的活性焦放入105℃烘箱中烘干72h，然后將烘干后的活性焦放入具塞玻璃瓶中進行保存，以備后用。

2.2 實驗方法

靜態吸附實驗：在250mL具塞玻璃瓶中放入100mL精制棉黑液，并向各個玻璃瓶中放入事先洗凈干燥的1.0g（0.45～0.90mm）活性焦.然后將準備好的具塞玻璃瓶放置到恒溫搖床上轉速設定為250r／min，搖床溫度設定為30℃。不同條件實驗時，改變相應的條件。考慮到精制棉黑液是成分復雜的有機廢水，因此實驗中采用化學需氧量（COD）作為測試指標，對吸附實驗過程進行描述表征。化學需氧量（COD）的測定參用HACH法［6］。為了更好的觀察活性焦吸附前后的形態差別，吸附前后的活性焦用環境掃描電鏡進行觀察。

3 結果與討論

3.1 吸附時間對吸附效果的影響

吸附過程中吸附時間對吸附過程有著重要的影響，在工業應用中確定最佳的吸附時間對工藝的設置有著重要的作用，可以保證在最佳時間內達到最佳的效果。為了確定吸附飽和時間，在250mL具塞玻璃瓶中放入100mL精制棉黑液，并向玻璃瓶中放入事先洗凈干燥的1.0g（0.45～0.90mm）活性焦。然后將準備好的具塞玻璃瓶放置到恒溫搖床上轉速設定為250r／min，搖床溫度設定為30℃。為了保證吸附充分，時間設定為360min。在不同時間用移液槍取樣1.0mL，然后在10 000r／min條件下離心10min，取上清液進行COD測定，結果見圖1。

圖1 吸附時間對單位吸附量的影響

從圖1中可以看出，隨著吸附時間的延長，活性焦單位吸附量逐漸增加，并且在5～90min內增加幅度相對較大，而過了90min后吸附量的增加變得相對緩慢，從180min往后一直到360min吸附量達到平衡即最大值93.52g／mg.最終確定吸附平衡時間為180min。因此后面條件實驗的吸附時間確定為180min。

3.2 不同質量的活性焦對吸附效果的影響

圖2 不同質量的活性焦對吸附的影響

在實際應用過程中，必須根據實際廢水的情況確定所需吸附介質的質量，這對整個工藝參數的設定至關重要。因此本實驗考察了不同質量的活性焦對吸附過程影響并且用單位吸附量和COD的去除率兩個指標進行了表示，結果見圖2。從圖2中可以看出，活性焦的單位吸附量隨著活性焦加入量的增加而不斷的減少。活性焦有著固定的比表面積和吸附位點，因此同等體積的污水中活性焦添加量越大，單位吸附位點的競爭越大，這樣勢必會造成無法充分的利用活性焦的吸附作用，因此在同等條件下活性焦添加量應該越少越好。

3.3 不同質量的活性焦對精制棉黑液COD去除率的影響

所有吸附實驗最終的目的是達到理想的吸附效果，因此確定精制棉黑液COD最大的去除率，以及相應的吸附量對吸附實驗來說必不可少，結果見圖3。

圖3 不同質量的活性焦對精制棉黑液COD去除率影響

如圖3所示，精制棉黑液COD去除率隨著活性焦質量的增加而增加。在開始階段這種趨勢比較明顯，但是當每個含100mL廢水的實驗瓶添加量達到4g時候，增加趨勢開始變緩。這提示在實際應用過程中最佳的投加量應該是40g／L左右。當投加量達到6g時候COD的去除率達到最大78.8%。精制棉黑液的COD從開始的3 836mg／L降到854。

3.4 活性焦吸附前后的形態觀察

吸附介質的形態和元素組成對吸附效果有著重要的影響，本實驗中應用掃描電鏡對活性焦吸附前后的顯微形態進行了觀察，并且對其表面進行了能譜分析，結果見圖4。

圖4 活性焦吸附前后的掃描電鏡照片

如圖4所示，活性焦沒有吸附前，可以看到表面有很多溝壑裝的結構，而且表面有很多空隙。從右邊吸附后的電鏡照片可以明顯看出，原先溝壑和空隙裝的結構已經被吸附物所覆蓋，變得相對封閉。這也從側面印證了前面實驗中活性焦很強的吸附能力。

［1］陳新戰.精制棉生產工藝技術的探索［J］.河北化工，2007，30（1）：20～21.

［2］鄒士洋，楊臘梅.精制棉廢水處理工程實踐［J］.江蘇環境科技，2005（2）：7～8.

［3］胡 波，黎敏聰.反應器處理精制棉廢水的試驗研究［J］.環境科技，2009，22（1）：30～31.

［4］Davini P.Adsorption of sulfur dioxide on thermally treated active carbon［J］.Fuel，1989（68）：145.

［5］Davini P.Adsorption and desorption of SO2on active carbon：the effect of surface basic group［J］.Carbon，1990（28）：565.

［6］于 鈺，趙泉林.酸析法預處理精制棉黑液研究［J］.四川大學學報，2011，6（43）：208～211.