碳纖維水處理裝置的設(shè)計(jì)及其吸附研究

趙 云

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

由于水體中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)不斷地排入，致使水資源遭到污染。人們已經(jīng)逐漸意識(shí)到水資源保護(hù)及水污染治理的重要性，嘗試各種方法修復(fù)受污染的水體[1-3]。

碳纖維(Carbon Fiber，CF)是由纖維原料經(jīng)過一系列高溫?zé)崽幚矶傻暮剂靠蛇_(dá)90%以上的高性能纖維狀碳材料[4]。目前，碳纖維憑借其優(yōu)異的吸附性能廣泛用于飲用水、有機(jī)廢水、養(yǎng)殖廢水的處理[5-7]。碳纖維不僅比表面積較大，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，能高效地去除水中的大分子物質(zhì)，而且其表面具有許多含氧官能團(tuán)，可吸附水中的有機(jī)污染物，從而降低水體的污染程度[8]。

本文設(shè)計(jì)出易更換吸附材料的高效水處理凈化裝置，具有可循環(huán)利用、裝置固定、易拆卸清洗、多層省空間等優(yōu)點(diǎn)。研究考證了碳纖維水處理裝置對(duì)水體中COD、氨氮和總磷的去除效果，為治理污染水體提供了理論與實(shí)踐的雙重借鑒。

1 水處理循環(huán)凈化裝置的設(shè)計(jì)

本文研究的水處理裝置，可將吸附材料置于動(dòng)態(tài)吸附環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)具有易清洗、體積小、形狀簡單美觀的特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制提出了更高的要求。

(1)為便利實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，裝置設(shè)計(jì)可拆卸，可隨時(shí)觀察并采集水樣，方便測(cè)定水質(zhì)濃度變化。

(2)吸附層采用改良抽屜式結(jié)構(gòu)，可放置多種、多層水處理吸附材料，且該部分設(shè)計(jì)為可拆卸，易清洗易更換的吸附材料。

(3)利用水的勢(shì)能及抽水泵原理，實(shí)現(xiàn)了水循環(huán)，節(jié)約了成本與資源。處理后的水可直接排放或重復(fù)利用，大大地降低了水資源的浪費(fèi)。

(4)二級(jí)箱將折流和吸附技術(shù)合二為一，既充分利用了空間，又能借助折流達(dá)到更好的吸附處理效果。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并搭建的水處理循環(huán)凈化裝置，由一級(jí)箱、二級(jí)箱、過濾箱、三級(jí)箱、蠕動(dòng)泵等組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水污染物動(dòng)態(tài)吸附效果的測(cè)定，使其更加接近廢水處理的真實(shí)情況。水處理循環(huán)凈化裝置，見圖1。

圖1 水處理循環(huán)凈化裝置示意圖

圖1中，廢水池容積最大約為20L，自吸泵提供裝置的總動(dòng)力，流量約26L/min。一級(jí)箱、二級(jí)箱、三級(jí)箱為PP材質(zhì)水箱，長、寬、高分別44、33、21cm，裝置總長1.70m，總高0.75m。二級(jí)箱內(nèi)部，放置10cm×10cm×10cm(長×寬×高)的有機(jī)玻璃過濾箱，用于放置碳纖維。碳纖維表面，有300目尼龍過濾網(wǎng)包裹，防止掉絮現(xiàn)象。過濾箱與二級(jí)箱之間，有PVC給水膠粘劑固定，保證通過過濾箱的水能夠經(jīng)二級(jí)箱流入到三級(jí)箱中。廢水，從廢水池經(jīng)自吸泵抽入一級(jí)箱，并隨勢(shì)能流入過濾箱，經(jīng)處理，流入三級(jí)箱中。三級(jí)箱與廢水池之間，連接有水龍頭和截止閥，方便將定量處理后的水取樣檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器，見表1

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器

3 靜態(tài)條件下吸附影響因素的確定

本文使用聚丙烯腈基碳纖維規(guī)格30mm×30mm×1mm(長×寬×高)作為吸附劑，對(duì)水中的COD、氨氮、總磷污染物進(jìn)行吸附。考察吸附時(shí)間、碳纖維投加量2個(gè)變量對(duì)吸附性能的影響。根據(jù)影響的變化規(guī)律，得出相對(duì)最佳的吸附參數(shù)。

污水中，在初始濃度COD為150mg/L、氨氮為80mg/L、總磷為50mg/L時(shí)，分別投加4g的碳纖維，設(shè)置反應(yīng)時(shí)間分別為10、20、30、60min。反應(yīng)結(jié)束，將水樣取出，測(cè)量污染物濃度，計(jì)算COD、氨氮及總磷的去除率，結(jié)果見圖2。

圖2 不同時(shí)間對(duì)污染物去除率的影響

由圖2可知，污染物去除率隨著時(shí)間的增長而增大。當(dāng)吸附時(shí)間為30min，污染物的吸附已經(jīng)達(dá)到靜態(tài)吸附條件下的較高水平，持續(xù)增長時(shí)間到60min，其去除率雖有提升，但幅度不大。這有可能在30min時(shí)，碳纖維已經(jīng)達(dá)到了吸附飽和，此后去除率會(huì)有平緩地增長或保持不變。因此，研究認(rèn)為，30min為最佳吸附時(shí)間。

在初始濃度COD為150mg/L、氨氮為80mg/L、總磷為50mg/L，吸附時(shí)間為60min的情況下，分別將不同質(zhì)量的碳纖維放入水中，60min后，將水樣取出，測(cè)量污染物剩余濃度，分別計(jì)算污染物去除率，見圖3。

圖3 不同碳纖維投加量對(duì)污染物去除率的影響

由圖3可知，污染物去除率隨著碳纖維投加量的增大呈現(xiàn)：先增大，后稍有減小的趨勢(shì)。當(dāng)碳纖維投加量為4g時(shí)，污染物的吸附已經(jīng)達(dá)到靜態(tài)條件下的較高水平，持續(xù)增大碳纖維的投加量，會(huì)表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。因此，研究選定4g作為最佳碳纖維投加量，并將此次試驗(yàn)得到的最佳吸附時(shí)間與最佳碳纖維投加量，用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)，以減小因吸附條件變化導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差。

4 動(dòng)態(tài)條件下吸附性能的研究

在前文得到的最佳靜態(tài)吸附條件的基礎(chǔ)上，即吸附時(shí)間為30min，碳纖維投加量為4g，將碳纖維材料放入研究設(shè)計(jì)搭建的水處理循環(huán)凈化裝置中，進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附性能研究。實(shí)驗(yàn)于前一天將所需的碳纖維材料，用超聲波清洗30min，放入到干燥好的大燒杯中，將其放入到電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中24h烘干，自然冷卻至室溫，減少對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，見圖4。

圖4 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下各污染物去除率的對(duì)比

由圖4可知，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下的污染物去除率比靜態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下有所提升，COD、氨氮、總磷去除率分別提高了10.39%、10.58%、8.79%，去除率基本接近20%。在水處理循環(huán)凈化裝置中，可以實(shí)現(xiàn)廢水的循環(huán)處理，為碳纖維與污染物的反應(yīng)提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的環(huán)境，且有利于碳纖維的吸附效果成倍地增加。

5 結(jié)論

本章以碳纖維為吸附原料，設(shè)計(jì)并搭建了水處理循環(huán)凈化裝置，從靜態(tài)吸附和動(dòng)態(tài)吸附2個(gè)角度，對(duì)水中COD、氨氮、總磷吸附效果進(jìn)行探究，結(jié)論如下。

(1)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)過考察，發(fā)現(xiàn)不同吸附時(shí)間、不同碳纖維投加量2個(gè)單因素后，對(duì)不同污染物進(jìn)行去除率評(píng)價(jià)，得到：在吸附時(shí)間為30min、碳纖維投加量為4g時(shí)，COD、氨氮、總磷的去除率達(dá)到最優(yōu)，去除率基本上接近10%。

(2)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)較靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，碳纖維吸附效果成倍地增加，對(duì)COD、氨氮、總磷的去除率增長了近10%。動(dòng)態(tài)水處理循環(huán)凈化裝置，利用水的勢(shì)能、抽水泵和蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)了水循環(huán)。處理后的水，可重復(fù)利用，降低了水資源的浪費(fèi)。