超聲協助活性炭去除水中銻的研究

陳臻　呂文英　姚琨

摘要[目的] 探討在超聲波作用下活性炭對銻的處理效果。[方法] 利用超聲波協助活性炭處理廢水中的銻，研究超聲溫度、超聲時間、吸附溫度、吸附時間、pH及活性炭投加量等因素對含銻廢水處理效果的影響。以火焰原子吸收光譜法測定銻含量。[結果] 在超聲溫度為40 ℃，超聲時間為20 min，吸附時間為60 min，pH=2，活性炭與銻的比值為1 mg Sb/g活性炭時，銻的去除率可達95.86%。[結論] 超聲波對活性炭處理廢水中的銻離子有明顯的促進作用。

關鍵詞超聲； 活性炭； 吸附； 銻； 廢水

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）12-03647-03

基金項目2012年廣東省科技計劃項目（2012B030800003）。

作者簡介陳臻（1988- ），男，廣東韶關人，碩士研究生，研究方向：環境化學。

銻及其化合物用途廣泛，主要用于生產陶瓷、玻璃、電池、油漆、煙火材料及阻燃劑等，此外還用于生產半導體、紅外線檢測儀、兩極真空管及用作驅蟲劑等。隨著銻及其化合物的廣泛應用，由此引發的環境問題日益嚴重，國內外對銻污染的研究越來越重視。銻及其化合物被美國EPA列入優先控制污染物，同時也被巴塞爾公約列入危險廢物，是日本環境廳密切關注的污染物[1-3]。目前，國內外處理含銻廢水的方法主要有化學沉淀法、離子交換法、吸附法、膜過濾法等。吸附法用于物質分離已有較長的歷史，常用于去除/回收水中微量污染物，具有高效、簡便、選擇性好等優點。活性炭具有發達的孔隙結構、巨大的比表面積、較多的表面官能團和良好的機械強度，因其廣譜的吸附作用而在水處理中獲得廣泛應用[4-5]，但目前活性炭單獨處理含重金屬廢水的去除率是比較低的[6]，活性炭如何與其他技術聯合深度處理工業廢水已成為發展趨勢。

楊金玲等利用超生波協助活性炭處理含鉛廢水，廢水先經過超聲，然后再用活性炭吸附，發現超聲波對活性炭處理廢水中的鉛離子有明顯的促進作用[7]。一些學者的研究表明，超聲波作用下的飽和吸附量有所下降，吸附等溫線小幅下移，但形狀基本保持不變[8-11]。一般認為，由于超聲波的熱效應，超聲場中的體系溫度有所升高，影響液固吸附平衡關系；且超聲波的空化作用引起的局部高溫高壓等極端條件，即超聲波的非熱效應，可使吸附質與吸附劑間的鍵發生斷裂，導致吸附相平衡關系發生更大變化[12]。可見，超聲波對相平衡關系的影響包括熱效應和非熱效應兩方面。但不同的吸附體系，超聲波對吸附過程的強化作用不一致。目前有關超聲波對金屬離子/活性炭吸附體系作用情況的文獻報道較少。Zhou對金在活性炭上的解吸行為研究中引入超聲波，發現有乙醇或堿存在時，超聲波可以改善金的解吸動力學行為[13]。該研究以Sb為目標污染物，探討了在超聲波作用下活性炭對它的處理效果。

1材料與方法

1.1儀器火焰原子吸收光譜儀（日立Z2000型）；超聲波清洗器（AS20500BDTI）；恒溫振蕩器（常州澳華儀器有限公司）；酸度計（上海精科有限公司）。

1.2試劑活性炭（分析純）；銻標準溶液（酒石酸銻鉀，[C8H4O12Sb2]K2），含銻1 000 μg/ml，介質6 mol/L HCl；臨用前以0.3%的硝酸稀釋成質量濃度為20 mg/L銻標準應用液，搖勻，備用。

1.3繪制標準曲線取不同量的20 mg/L銻標準應用液，以0.3%的HNO3定容于100 ml容量瓶中，配制成質量濃度分別為0、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0 mg/L的標準系列。按原子吸收光譜所示工作條件，測定銻的吸光度A，并繪制標準曲線，r=0.999 7。

1.4測定項目與方法用去離子水配制含銻2 mg/L的模擬水樣，每次取100 ml，進行超聲處理，然后置于250 ml錐形瓶中，調節廢水pH，加入一定量活性炭，振蕩使廢水與活性炭充分接觸，靜置后過濾，測定濾液中銻濃度，計算銻的去除率。

2結果與分析

2.1吸附接觸時間的影響取若干份2 mg/L、100 ml Sb溶液，一份先進行超聲30 min，控制超聲溫度40 ℃。超聲結束后加活性炭200 mg震蕩吸附，調節轉速為250 r/min，控制吸附接觸時間為10、20、30、40、50、60、90、120 min，測定溶液中剩余Sb濃度，計算Sb的去除率；另一份不經過超聲，直接加活性炭進行吸附處理，條件同前，結果見圖1。

2.2超聲時間的影響準備若干份2 mg/L、100 ml Sb溶液，先不加活性炭，在不同超聲溫度（30、45、60 ℃）下進行超聲處理，處理時間分別為0、10、20、30、40、50、60 min。超聲完后各加活性炭200 mg震蕩吸附60 min，調節轉速250 r/min，結果見圖2。

2.3超聲溫度的影響準備若干份2 mg/L、100 ml Sb溶液，在不同超聲溫度（30、35、40、45、50、55、60 ℃）下進行超聲20 min。超聲結束后各加活性炭200 mg震蕩吸附60 min，調節轉速250 r/min，結果見圖3。

2.4吸附溫度對吸附效率的影響準備若干份2 mg/L、100 ml Sb溶液，40 ℃下超聲20 min，超聲結束后各加活性炭200 mg，分別在30、35、40、45、50、55、60 ℃下震蕩吸附60 min，震蕩轉速為250 r/min，吸附結束后，測定溶液中剩余的Sb含量，計算Sb的去除率，結果見表1。

2.5活性炭用量對吸附效率的影響準備若干份2 mg/L、100 ml Sb溶液，40 ℃下超聲20 min，超聲結束后分別加活性炭50、100、200、300、400、500 mg震蕩吸附60 min，震蕩轉速為50 r/min，吸附結束后，測定溶液中剩余的Sb含量，計算Sb的去除率，結果見圖4。

2.6pH對吸附效率的影響準備若干份2 mg/L、100 ml Sb溶液，調節pH為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11，40 ℃下超聲20 min，超聲結束后各加活性炭200 mg，震蕩吸附60 min，震蕩轉速為250 r/min，吸附結束后，測定溶液中剩余的Sb含量，計算Sb的去除率，結果見圖5。

由圖5可知，pH對活性炭吸附性能的影響較大。在pH=1～11的范圍內，最大吸附去除率對應的pH為1～2，然后隨著pH的升高，去除率趨于降低。這是因為溶液pH同時影響吸附劑表面金屬吸附位點和金屬離子在溶液中的存在形態；在酸性溶液中酒石酸銻鉀主要以酸根形式[C8H4O12Sb2]2-存在，且活性炭表面的H+濃度也較大，這引起離子間的強靜電吸引反應，銻離子的吸附較好。隨著pH增大，由于OH-逐漸增多，且OH-與活性炭的親和力大于銻酸根離子，活性炭表面的吸附位置被OH-占據，所以吸附量減小[15-16]。因此，試驗最佳pH為1～2，考慮到處理成本，選取pH=2為最佳條件。

3結論

研究表明，超聲波對活性炭處理廢水中的銻離子有明顯的促進作用。超聲波協助活性炭吸附處理含銻廢水時，超聲時間為20 min，超聲溫度為40 ℃，吸附時間為60 min，pH為2，活性炭與銻的比值為1 mg Sb/g活性炭時處理效果最佳，去除率達到95.86%。

參考文獻

[1] Council of European Union.Council Directive 98/83/EC of 3 November，Quality of Water Intended for Human Consumption [J].Official Journal Letters，1989，330：32-54.

[2] US EPA.Water Related Fate of the 129 Priority Pollutants [M].Washington DC United States Environmental Protection Agency，1979.

[3] FURUTA N，IIJIMA A，KAMBE A，et al.Concentrations，enrichment and predominant sources of Sb and other trace elements in size classified airbome particulate matter collected in Tokyo from 1995 to 2004[J].Journal of Environmental Monitoring，2005，7：1155-1161.

[4] 張小璇，任源，韋朝海，等.焦化廢水生物處理尾水中殘余有機污染物的活性炭吸附及其機理[J].環境科學學報，2007，27（7）：1113-1120.

[5] 包漢峰，楊維薇，張立秋，等.污泥基活性炭去除水中重金屬離子效能與動力學研究[J].中國環境科學，2013，33（1）：69-74.

[6] 陳維芳，程明濤，張道方，等.有機酸-鐵改性活性炭去除飲用水中的砷[J].中國環境科學，2011，31（6）：910-915.

[7] 楊金玲，公維磊，王長芹，等.超聲波協助活性炭去除水中鉛的正交實驗研究[J].實驗技術與管理，2012，29（1）：51-55.

[8] JUANG R S，LIN S H，CHENG C H.Liquid-phase adsorption and desorption of phenol onto activated carbons with ultrasound[J].Ultrasonics Sonochemistry，2006，13（3）：251-260.

[9] LACIN O，BAYRAK B，KORKUT O，et al.Modeling of adsorption and ultrasonic desorption of cadmium（Ⅱ） and zinc（Ⅱ） on local bentonite[J].Journal of Colloid and Interface Science，2005，292（2）：330-335.

[10] LIM J L，OKADA M.Regeneration of granular activated carbon using ultrasound[J].Ultrasonics Sonochemistry，2005，12（4）：277-282.

[11] HAMDAOUI O，NAFFRECHOUX E，SUPTIL J，et al.Ulgrasonic desorption of p-chlorophenol from granular activated carbon[J].Chemical Engineering Journal，2005，106（2）：153-161.

[12] 李祥斌，李忠，奚紅霞.超聲波對苯酚在NKAⅡ樹脂上吸附平衡的影響[J].高校化學工程學報，2001，15（4）：363-367.