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

（1．四川理工學院材料與化學工程學院，四川 自貢643000；2．內(nèi)江師范學院化學與生命科學學院，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

（1．四川理工學院材料與化學工程學院，四川 自貢643000；2．內(nèi)江師范學院化學與生命科學學院，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行含酚廢水的吸附試驗，考察了垃圾用量、吸附時間、吸附溫度、pH值等因素對吸附效果的影響。實驗結果表明，垃圾用量為10g，吸附溫度25℃，pH值為6．20，振蕩吸附時間3．5h的條件下，苯酚吸附效果達到最佳，苯酚在固體殘留物上的吸附符合Freundlich等溫吸附模型，其吸附動力學行為符合一級動力學方程式，屬于內(nèi)擴散控制過程。

含酚廢水；微波裂解；吸附動力學；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、化學法、電化學法等，其中吸附法是處理含酚廢水的有效方法之一?；钚蕴繉訌U水具有良好的吸附效果［4～6］，但是其昂貴的價格增加了廢水處理的成本，因而限制了其廣泛應用，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。本實驗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，以達到綜合利用的目的。

1 實驗部分

1．1 實驗材料與試劑

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 主要實驗儀器和設備

UV759型紫外分光光度計，DKA－450A電熱恒溫振蕩水槽，PHS－3C精密酸度計，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］進行測定。

2 試驗結果與討論

2．1 吸附時間對吸附效果的影響

于8個錐形瓶中分別加入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，作吸附時間與吸附量關系圖。

圖1 吸附時間對吸附效果的影響

由圖1可以看出，隨著吸附時間的增加，垃圾炭粉末對苯酚的吸附量逐漸升高，當吸附時間達3．5h時，苯酚在垃圾炭上的吸附基本達到平衡，實驗吸附平衡時間取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，吸附反應進行較快，酚去除率上升，溶液中苯酚剩余濃度下降明顯，當垃圾炭用量達10 g時，酚去除率可達84．24%，進行二次吸附后即可達到國家排放標準，實驗確定垃圾炭最佳用量為10 g。

2．3 吸附等溫線

取6個錐形瓶分別加入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—為結合常數(shù)，L·mg－1。

將圖3所示的實驗數(shù)據(jù)進行Langmuir線性擬合，其結果如表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算苯酚的剩余濃度，做pH值與苯酚去除率之間的關系圖（圖4）。

從圖4可以看出苯酚溶液pH值為3．60時的去除率最高，達到80．74%，其次是溶液pH值為4．45和6．20時都達到了80．47%。根據(jù)金屬離子熒光分析測定報告可知，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，另外當溶液呈酸性和堿性時，垃圾粉末中的Ba元素含量增加，垃圾在進行深度處理時對環(huán)境會造成二次污染，溶液中加入酸堿溶液，會腐蝕實驗設備，增加設備費用，因此通過對比分析確定pH＝6．20為最佳吸附pH值，可近似認為最佳pH條件為中性。

圖4 苯酚去除率與溶液pH值關系曲線

3 吸附動力學研究

在13個燒杯中分別加入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，做吸附時間與苯酚剩余濃度的關系圖，同理再對20 mg·L－1、30 mg·L－1和40 mg·L－1苯酚溶液進行研究。

圖525 ℃溶液靜態(tài)吸附動力學曲線

圖630 ℃溶液靜態(tài)吸附動力學曲線

把10 mg·L－1苯酚溶液分別在298K和303K下測得的相關數(shù)據(jù)代入一級動力學方程式［13］：

lnCt=lnC0-kt（3）

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

表2 動力學擬合方程及參數(shù)

由lnCt對t的線性關系可知，苯酚在垃圾粉末上的吸附符合一級吸附規(guī)律，把相關數(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［14］報道，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行。

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

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

表3 內(nèi)擴散擬合方程及參數(shù)表

同樣把相關數(shù)據(jù)代入外擴散公式［15］：

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

表4 外擴散擬合方程及參數(shù)

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

4 結論

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

苯酚溶液的初次吸附濃度雖未達到污水綜合排放標準（GB 8978－1996），但通過二次吸附后即達標，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，若是實驗前先把所用的垃圾炭粉末進行預處理，吸附效果會更好，完全能達到污水綜合排放標準，通過后續(xù)實驗已經(jīng)進行驗證。

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，實驗結果可為相關研究提供理論參考。

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

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

［3］ 陳美玲．含酚廢水處理技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．化學工程師，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驗研究［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［J］．水處理技術，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，2006．

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

［8］ 謝立平，林偉剛，楊學民．城市固體有機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，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，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（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，等．活性炭自水溶液吸附苯酚的熱力學探討［J］．云南民族大學學報，2003，12（4）：220-222．

［15］ 鹿政理，譯．吸附的基礎與設計［M］．北京：化學工業(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，主要研究方向為化工分離與吸附；E-mail：wt209＠126．com

陳虹（1961-），女，四川安岳人，教授，碩士生導師，主要研究方向為化工傳質(zhì)與分離，E-mail：ch2305＠163．com

2011-03-16