活性炭對(duì)廢水中對(duì)氯硝基苯的吸附特性研究

陳 燕

（湖南省保靖縣環(huán)境保護(hù)局，湖南保靖 416500）

活性炭對(duì)廢水中對(duì)氯硝基苯的吸附特性研究

陳 燕

（湖南省保靖縣環(huán)境保護(hù)局，湖南保靖 416500）

研究了活性炭加入量、吸附溫度、吸附時(shí)間、pH值不同時(shí)活性炭對(duì)模擬廢水中對(duì)氯硝基苯的吸附特性。結(jié)果表明：活性炭對(duì)對(duì)氯硝基苯廢水中的對(duì)氯硝基苯的去除率隨活性炭加入量的增加而增大，在200mL濃度為100mg/L對(duì)氯硝基苯廢水中最佳活性炭加入量為0.2g，去除率達(dá)96.68%，動(dòng)態(tài)吸附平衡時(shí)間為22min；隨溫度的升高活性炭對(duì)對(duì)氯硝基苯廢水中的對(duì)氯硝基苯的去除率也增大，最佳吸附溫度為35℃；100mg/L對(duì)氯硝基苯廢水的最佳吸附pH值為7?；钚蕴繉?duì)對(duì)氯硝基苯的吸附符合BET等溫吸附方程式，在20℃條件下，吸附等溫線方程為：，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.998 6，估算出所用活性炭比表面積為428m2/g。

活性炭；對(duì)氯硝基苯；吸附

對(duì)氯硝基苯是一種工業(yè)來(lái)源廣泛的有機(jī)污染物，在我國(guó)的地表水和水源水中時(shí)有檢出。硝基氯苯對(duì)人體具有毒害作用，并且在自然界中很難降解，具有致畸、致癌、致突變的作用[1-2]，已經(jīng)被美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局列為水環(huán)境中優(yōu)先控制的有機(jī)污染物[3]。目前對(duì)此類廢水的治理尚無(wú)有效的方法[4]。

吸附法是一種常用的污水處理方法，主要用來(lái)分離去除廢水中的微量污染物，常用于脫色、除臭味、去除重金屬、去除溶解性毒性有機(jī)物、去除放射性元素等[5-7]。在常見(jiàn)的污水處理流程中，吸附法也經(jīng)常用于離子交換和膜分離的預(yù)處理，用于去除污染有機(jī)物、膠體物或者余氯等，以保證處理出水的水質(zhì)質(zhì)量[8-9]。

本文通過(guò)吸附試驗(yàn)研究了活性炭吸附對(duì)對(duì)氯硝基苯的吸附特性，通過(guò)考察活性炭加入量、溫度、吸附時(shí)間、溶液的pH值對(duì)活性炭吸附水中對(duì)氯硝基苯效果的影響，得出具有工程指導(dǎo)價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和儀器

1.1 藥品

對(duì)氯硝基苯（化學(xué)純，中國(guó)上海試劑一廠），活性炭（粉末狀，市售），鹽酸（分析純，湖南邵陽(yáng)化學(xué)試劑廠），氫氧化鈉（分析純，天津石英鐘廠霸州市化工分廠）。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

紫外分光光度計(jì)（UV721G-100，上海儀電儀器廠），電子天平（AUY-120型，日本島津公司），恒溫震蕩器（THZ-82A型，上海金壇富華儀器公司），數(shù)字酸度計(jì)（SevenCompact，梅特勒-托利多國(guó)際股份有限公司），磁力攪拌器（HWJB-2100A，河南中良科學(xué)儀器有限公司）。

2 試驗(yàn)方法

2.1 活性炭的預(yù)處理

活性炭使用前需要進(jìn)行預(yù)處理，以防止活性炭上無(wú)機(jī)鹽及其他雜質(zhì)對(duì)吸附的干擾。首先將活性炭放進(jìn)去離子水中浸泡24h，然后過(guò)濾，把浸泡后的活性炭在烘箱中120℃下烘干24h至恒重，最后放置于密封容器中保存，備用[10-13]。

2.2 吸附條件的影響

2.2.1 活性炭加入量對(duì)吸附效果的影響

取200mL100mg/L的對(duì)氯硝基苯溶液6份，置于6個(gè)燒杯中，分別加入0.02～0.25g六種不同質(zhì)量的活性炭。在20℃震蕩吸附條件下，分別間隔一定時(shí)間取水樣，利用紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)定其吸光度，直至吸附平衡，計(jì)算去除率。

2.2.2 吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

取200mL100mg/L的對(duì)氯硝基苯溶液3份，置于三個(gè)燒杯中，每份分別加入0.05g、0.1g、0.15g活性炭。在20℃震蕩吸附條件下，間隔一定時(shí)間取水樣，利用紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)定其吸光度，直至吸附平衡，計(jì)算去除率。

2.2.3 吸附溫度對(duì)吸附效果的影響

取200mL100mg/L的對(duì)氯硝基苯溶液5份，置于5個(gè)燒杯中，每份加入0.05g活性炭，調(diào)節(jié)溫度分別為20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，震蕩吸附，分別間隔一定時(shí)間取水樣，利用紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)定其吸光度，直至吸附平衡，計(jì)算去除率。

2.2.4 pH值對(duì)吸附效果的影響

取200mL100mg/L對(duì)氯硝基苯溶液7份，置于7個(gè)燒杯中，采用鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)水樣的pH值分別為1～13的7個(gè)不同pH值，每個(gè)燒杯加入0.05g活性炭，在20℃下震蕩吸附，分別間隔一定時(shí)間取水樣，利用紫外分光光度計(jì)測(cè)定其吸光度，直至吸附平衡，計(jì)算去除率。

2.3 吸附等溫線

配制100mg/L對(duì)氯硝基苯溶液，取8份200mL該溶液置于燒杯中，每份分別加入不同質(zhì)量的活性炭。在20℃條件下恒溫震蕩吸附至吸附平衡。測(cè)定吸附平衡濃度，得出各吸附平衡時(shí)溶液中對(duì)氯硝基苯的濃度和平衡吸附量，繪制吸附等溫線。分別用BET、Freundlich、Langmuir吸附等溫式擬合，得出活性炭吸附廢水中對(duì)氯硝基苯的最佳吸附等溫線公式。

2.4 分析方法

采用紫外分光光度計(jì)在286 nm處測(cè)定各水樣的吸光度，以確定溶液中對(duì)氯硝基苯的去除率[4]。

3 結(jié)果與討論

3.1 單因子影響研究

3.1.1 活性炭加入量對(duì)對(duì)氯硝基苯吸附效果的影響

用活性炭吸附對(duì)氯硝基苯的廢水，測(cè)定達(dá)到吸附平衡時(shí)不同活性炭加入量對(duì)去除率的影響。如圖1所示：

圖1 活性炭的加入量對(duì)對(duì)氯硝基苯去除率的影響

由圖1可知，活性炭加入量與廢水中對(duì)氯硝基苯的處理效果正相關(guān)。但隨著活性炭加入量的增多，單位質(zhì)量活性炭對(duì)對(duì)氯硝基苯的吸附量會(huì)減少，導(dǎo)致活性炭的利用率降低。在200mL 100mg/L的對(duì)氯硝基苯溶液中，加入0.2g活性炭對(duì)對(duì)氯硝基苯去除率接近最高值。對(duì)濃度為100mg/L對(duì)氯硝基苯廢水中對(duì)氯硝基苯的去除率達(dá)到96.68%（圖1），飽和吸附時(shí)間為22min。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該注意活性炭的用量，根據(jù)需要處理的廢水濃度加入最合適的炭量，以節(jié)省材料。

3.1.2 吸附時(shí)間對(duì)對(duì)氯硝基苯吸附效果的影響

用活性炭吸附對(duì)氯硝基苯的廢水，測(cè)定不同吸附時(shí)間對(duì)去除率的影響。如圖2所示：

圖2 不同吸附時(shí)間對(duì)對(duì)氯硝基苯吸附效果的影響

由圖2可知，在吸附開(kāi)始階段吸附速度非常快，但隨著時(shí)間的延續(xù)增大幅度逐漸減小，吸附慢慢接近吸附平衡。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)注意控制吸附時(shí)間，保證活性炭與對(duì)氯硝基苯充分接觸，以縮短處理周期。

3.1.3 溫度對(duì)對(duì)氯硝基苯吸附效果的影響

用活性炭吸附對(duì)氯硝基苯的廢水，測(cè)定達(dá)到吸附平衡時(shí)不同溫度對(duì)去除率的影響。如圖3所示，隨著溫度升高，活性炭對(duì)對(duì)氯硝基苯的去除率總的趨勢(shì)在升高，并且在20～33℃上升幅度較大，在35℃去除率接近飽和，去除率為89.3%。這說(shuō)明活性炭對(duì)對(duì)氯硝基苯的吸附以物理吸附為主，同時(shí)在活性炭分子上存在著—OH，—COOH等官能團(tuán)，所以也存在著一定量的化學(xué)吸附。在升溫過(guò)程中，化學(xué)吸附會(huì)增強(qiáng)，占主導(dǎo)作用，升溫有利于化學(xué)吸附，導(dǎo)致總的吸附率增大。故活性炭對(duì)對(duì)氯硝基苯廢水的最佳吸附溫度為35℃。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量控制對(duì)對(duì)氯硝基苯廢水處理的溫度，以提高活性炭的利用率。

圖3 溫度對(duì)對(duì)氯硝基苯去除率的影響

3.1.4 pH值對(duì)對(duì)氯硝基苯吸附效果的影響

用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)對(duì)氯硝基苯溶液的pH值。不同pH值下活性炭對(duì)對(duì)氯硝基苯的吸附規(guī)律如圖4所示：

圖4 pH值對(duì)去除率的影響

由圖4可知，活性炭對(duì)廢水中對(duì)氯硝基苯的吸附在中性范圍最大，吸附去除率為91.9%，活性炭對(duì)對(duì)氯硝基苯的吸附量為367.6mg/g。這說(shuō)明活性炭對(duì)分子狀態(tài)的溶質(zhì)吸附性更強(qiáng)，對(duì)氯硝基苯在溶液pH中性時(shí)主要呈分子狀態(tài)，在酸或堿條件下部分以離子態(tài)存在。對(duì)于100mg/L對(duì)氯硝基苯溶液的pH在7～8之間，故在實(shí)際應(yīng)用中不需加入酸堿調(diào)節(jié)劑，或加少量酸調(diào)節(jié)劑就能達(dá)到較高的去除率。

3.2 等溫吸附曲線

3.2.1 吸附等溫線的繪制

根據(jù)3.3的方法繪制20℃時(shí)活性炭對(duì)廢水中對(duì)氯硝基苯的吸附曲線，如圖5所示：

圖5 活性炭對(duì)對(duì)氯硝基苯的吸附曲線

由圖5可知，隨著達(dá)到平衡時(shí)溶液中對(duì)氯硝基苯的濃度的升高，單位質(zhì)量活性炭吸附對(duì)氯硝基苯的吸附量與之正相關(guān)。活性炭加入量為0.05g時(shí)，達(dá)吸附平衡時(shí)水中對(duì)氯硝基苯濃度為9.24mg/L，吸附量為363mg/g。根據(jù)吸附等溫線圖，活性炭加入量較大時(shí)平衡吸附量升高趨勢(shì)較慢，當(dāng)活性炭加入量小于0.05g時(shí)，平衡吸附量快速增加。這說(shuō)明活性炭加入量較大時(shí)以單分子層吸附為主，吸附劑濃度大量增加后會(huì)形成多分子層吸附[18]。

3.2.2 BET（Brunaner，Emmett、Teller）吸附等溫線擬合

由BET吸附等溫線公式：

式中：qe——平衡吸附量，mg/g；

ce——吸附質(zhì)的平衡濃度，mg/L；

cs——吸附質(zhì)的飽和濃度，mg/L；

a——單層吸附最大吸附量，mg/g；

B——常數(shù)，與吸附劑和吸附質(zhì)之間的相互作用能有關(guān)。

BET吸附等溫線公式轉(zhuǎn)換為直線形式：

將ce/cs與ce/[qe（cs-ce）]分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，擬合成一條直線，即為BET等溫線，直線的線性相關(guān)系數(shù)即擬合度[17-20]。擬合直線如圖6所示：

圖6 BET吸附等溫線擬合

由圖6 BET吸附等溫線擬合得出其吸附等溫方程式為：

即（B-1）/（aB）=0.0028；1/（aB）=0.0002?？汕蟮茫築= 15；a=333.33。

得BET吸附等溫線方程：

根據(jù)公式：

式中：as——吸附劑比表面積，m2/g；

a——單層吸附最大吸附量，g/g；

M——吸附質(zhì)分子量，g/mol；

N0——阿弗加德羅常數(shù)，6.022×1023；

Am——單個(gè)吸附質(zhì)分子所占面積，m2。

由BET擬合計(jì)算可得：a=0.333g/g，對(duì)氯硝基苯分子量M為157.56，查相關(guān)表格可知對(duì)氯硝基苯分子直徑約為0.58nm，可估算單個(gè)對(duì)氯硝基苯分子所占面積為0.336×10-18m2，從而計(jì)算出活性炭的比表面積為428m2/g。

4 結(jié)論

1）在20℃條件下，振蕩條件下用活性炭吸附100mg/L溶液中的對(duì)氯硝基苯，加入活性炭量以0.2g為宜，去除率達(dá)到96.68%，飽和吸附時(shí)間為22min。

2）溫度與活性炭對(duì)對(duì)氯硝基苯的吸附率呈正相關(guān)，最佳吸附溫度為35℃。

3）在pH中性條件下活性炭對(duì)對(duì)氯硝基苯的吸附率最大，偏酸性或堿性條件下吸附率會(huì)減小。

4）通過(guò)BET吸附等溫試驗(yàn)，得出20℃條件下活性炭吸附對(duì)氯硝基苯的吸附等溫線方程為：R2=0.998 6。求得所用活性炭比表面積為428m2/g。

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The Research on Adsorption of Aqueous P-Chloronitrobenzene by Activated Carbon

Chen Yan

The effective factors was investigated on the adsorption efficiency of dissolved p-chloronitrobenzene by activated carbon，which was singled as the mass of activated carbon added，the adsorption temperature，the adsorption time，and pH of the solution.The results showed the adsorption rate was enhanced with the magnitude of activated carbon increasing，and the optimum magnitude was 0.2g for 200ml p-chloronitrobenzene solution with the concertration of 100mg/L，arriving at the removal rate 96.68% in 22 minutes.With the temperature increasing，the removal rate of p-chloronitrobenzene increased，and the highest removal rate was obtained at 35℃.The study also showed the best adsortion efficiency was obtained at pH 7.The adsorption of p-chloronitrobenzene in activated carbon was fit for BET adsorption isotherm.At 20℃，the adsorption isotherm equation isR2=0.9986），from which the specific surface area of activated carbon can be conduced to be 428m2/g.

activated carbon；p-chloronitrobenzene；adsorption

X703

B

1003–6490（2016）04–0132–03

2016–03–26

陳燕（1976—），女，湖南保靖人，工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境污染治理技術(shù)工作。