活性炭纖維對廢水中對硝基苯酚的吸附特性研究

孫秋紅 孫曉敏

摘 要：對硝基苯酚（p-nitrophenol，PNP）毒性大、難于生物降解，是化工、農藥、染料等行業廢水中常見的有機污染物。利用靜態吸附研究了活性炭纖維（Activated Carbon Fiber，ACF）對PNP的吸附特性。結果表明，偽二級動力學模型可以更好地對吸附過程進行擬合，吸附過程中可能發生外部液膜擴散、表面吸附和顆粒內部擴散；吸附熱力學模型Freundilich和Dubinin-Radushkevich能夠更好地描述ACF對PNP的吸附過程，說明ACF上的吸附位是不均勻的，可能會發生多層吸附，ACF對PNP的吸附以化學吸附起主導作用。

關鍵詞：活性炭纖維；對硝基苯酚；吸附動力學；吸附熱力學

中圖分類號 X703 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）21-0123-04

Adsorption Characteristics of p-nitrophenol in Wastewater by Activated Carbon Fiber

SunQiuhonget al.

（Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A&F; University，Yangling 712100，China）

Abstract：The toxic and biorefractory pollutant p-nitrophenol （PNP）widely exists in wastewater，such as chemical，pesticides and dyes wastewater.The adsorption characteristics of PNP by activated carbon fiber （ACF）in wastewater were investigated.Based on the static state adsorption technique，the adsorption thermodynamics and adsorption kinetics characteristics of PNP on ACF were also studied.The results showed that pseudo-second order kinetic model was more suitable to describe the adsorption process of PNP，and external liquid film diffusion，surface adsorption，and internal diffusion of particles might also occur in the adsorption process.Isotherm adsorption of PNP was best described by Freundlich and Dubinin-Radushkevich models，suggesting that the adsorption sites on ACF surface were heterogeneous；and thus multilayer adsorption would occur.Chemisorption was the main pathway for PNP adsorption onto ACF.

Key words：Activated Carbon Fiber；p-Nitrophenol；Adsorption kinetics；Adsorption thermodynamics

隨著工業廢水排放中污染物的增多及環境法律法規的日益嚴格，廢水中的難生物降解物質的高效處理技術日益受到人們的重視。對硝基苯酚（p-nitrophenol，PNP）是制藥、化工合成、染料合成等行業常見的有機污染物，其在環境中停留時間長、毒性大、難生物降解，對人體危害很大，被美國環保局列入優先控制的129種有毒污染物“黑名單”[1]。如何經濟有效地處理PNP已成為日益緊迫的問題。

吸附法是利用吸附劑的多孔性分離污染物的水處理方法，其具有處理效率高，速度快的特點，廣泛應用于工業廢水[2]、廢氣以及惡臭的去除[3]和水中有機物、無機物、重金屬離子[4，5]以及一些低濃度物質的回收[6]。活性炭纖維（Activated Carbon Fiber，ACF）是繼活性炭之后的新型炭產品，已成為環保領域的纖維狀吸附分離功能材料之一。本實驗采用ACF作為吸附劑，以PNP模擬廢水為處理對象，利用靜態吸附研究了ACF對PNP的吸附動力學和吸附熱力學性能。

1 材料與方法

1.1 主要試劑 本實驗所用的吸附材料為粘膠基活性炭纖維氈（鞍山森鑫活性炭環保材料廠），其物性參數見表1。

1.2 實驗方法

1.2.1 ACF預處理 將ACF用去離子水洗滌3次，并用去離子水煮沸，持續0.5h以去除殘存在ACF中的雜質。洗凈的ACF放入電熱恒溫鼓風干燥箱，于378K干燥24h后置于干燥器中備用。

1.2.2 ACF對PNP的吸附 稱65mg的ACF，在250mL錐形瓶中與體積為150mL濃度為0.719mmol/L的PNP溶液混合，在振蕩器中（150r，25℃）振蕩，經過不同時間用分光光度計測量殘留溶液內PNP的濃度，并繪制成吸附速率曲線。選用偽一級動力學和偽二級動力學對數據進行擬合，通過線性相關系數R2的值來判斷這2種動力學模型的適宜性。繪制吸附等溫線并通過Langmuir、Freundilich和Dubinin-Radushkevich吸附熱力學模型對實驗數據進行擬合預測ACF對PNP的吸附特性。

2 結果與分析

2.1 吸附動力學 研究繪制吸附速率曲線如圖1所示。由圖1可知，在該條件下，ACF對PNP的240min內PNP即可達到吸附平衡。

在PNP初始濃度C0為0.719mmol/L的條件下，吸附時間t對吸附量qt的影響如圖2所示。由圖2可知，ACF吸附PNP時，吸附初始PNP吸附量增加最快，隨著吸附量的增加和PNP濃度的降低，吸附速率開始變緩，吸附逐漸趨于平衡。用偽一級、偽二級動力學模型進行擬合，所得相關擬合參數列于表2中。

偽一級動力學模型認為吸附過程的限制因素主要為顆粒內傳質阻力，偽二級動力學模型認為吸附的主要限制因素不是傳質，而是吸附機制[7]。從表2可以看出，偽二級動力學模型擬合的相關系數R2=0.9834，說明該模型可以更好的對吸附過程進行擬合，吸附過程中可能發生外部液膜擴散、表面吸附和顆粒內部擴散[8]，能夠更真實的表現PNP在ACF上的吸附機理。

2.3 吸附熱力學研究 測定不同平衡濃度時PNP在ACF上的吸附量，得到ACF吸附PNP的吸附等溫線，如圖3所示。

吸附等溫線可以估計吸附質的吸附容量，所以其在吸附法處理廢水中起到非常重要的作用。通常吸附等溫線可以描述吸附質與吸附劑之間的相互作用。分別用Langmuir、Freundilich和Dubinin-Radushkevich吸附模型對ACF吸附PNP的實驗數據進行擬合。

2.3.1 Langmuir模型 Langmuir認為吸附劑和吸附質之間通過弱化學鍵結合，吸附分子均勻分散在吸附劑表面，為單分子吸附，所以Langmuir吸附模型也稱為單分子層吸附模型[9]。1/qm為縱坐標，1/ce為橫坐標，用Langmuir吸附模型對PNP的吸附等溫線進行擬合，見圖4（1）。

2.3.2 Freundilich模型 Freundilich吸附等溫方程是通過實驗所得的經驗方程，方程中1/n為吸附指數，吸附指數越小，吸附性能越好。描述物質在能量分布不均一表面的吸附現象，吸附熱隨吸附量成對數形式降低，用Freundilich方程對PNP的吸附實驗數據進行擬合，通過線性回歸得到回歸方程，見圖4（2）。

2.3.3 Dubinin-Radushkevich模型 Dubinin-Radushkevich吸附等溫方程是建立在微孔填充理論的吸附等溫方程。以lnq為縱坐標，ε2為橫坐標，將實驗數據繪制在坐標圖中，用Dubinin-Radushkevic方程對PNP的吸附等溫線進行擬合，線性回歸所得直線，見圖4（3）。

以上3種方程擬合參數和相關系數列于表3中。由擬合結果可知，Langmuir、Freundilich和Dubinin-Radushkevich3種吸附模型都具有較低的平均絕對百分偏差。但是Freundilich和Dubinin-Radushkevich具有較高的相關系數，能夠更好的描述ACF對PNP的吸附過程。

Freundilich模型與Langmuir模型相比，其能夠更好的擬合實驗數據，尤其是對于高濃度范圍。這是由于Langmuir模型是在假定吸附式類似可逆的化學反應，吸附質是單層覆蓋在吸附劑表面上的，且吸附劑表面是均勻的，但是實際吸附過程比較復雜，且ACF上的吸附位是不均勻的，可能會發生多層吸附。

ACF是一種具有發達微孔結構的吸附劑，因此以微孔吸附容積填充理論為基礎建立的D-R方程也可以很好地描述PNP在ACF上的吸附過程[7]。微孔吸附填充填理論認為[10]，微孔內部吸附勢由于其內部孔壁之間吸附力場的重疊而顯著增強，所以吸附在微孔中的污染物不再像在中空或非孔性表面上發生單分子吸附，而是按吸附勢大小依次實現空容積的逐步充填。

計算出平均吸附能量E為19.25kJ/mol。SACE M M[11]指出平均吸附能量在1～8kJ/mol屬于物理吸附，大于8kJ/mol的屬于化學吸附。由此可知，ACF對PNP的吸附以化學吸附占主導作用。

3 結論

以PNP為目標物，ACF為吸附劑，采用靜態吸附法用ACF處理PNP模擬廢水，考察了ACF對PNP的吸附特性。結果表明，偽二級動力學模型可以更好地對ACF對PNP的吸附過程進行擬合，吸附過程中可能發生外部液膜擴散、表面吸附和顆粒內部擴散等，能夠更真實的表現PNP在ACF上的吸附機理。

從吸附熱力學實驗中可以看出，Freundilich和Dubinin-Radushkevich能夠更好地描述ACF對PNP的吸附過程。說明ACF上的吸附位是不均勻的，可能會發生多層吸附，且ACF對PNP的吸附過程中化學吸附起主導作用。

參考文獻

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（責編：張宏民）