负载Fe/Al/Na的不同吸附剂对焦化废水中有机污染物质吸附实验的研究

李文英

(山西大学环境工程系，山西太原 030013)

李文英

(山西大学环境工程系，山西太原 030013)

以木炭、活性炭、柚子皮为原料，分别通过研磨、负载Fe/Al/Na的改性处理制备了改性吸附剂，并使用该吸附剂对焦化废水进行静态吸附处理。实验结果表明，负载Fe/Al/Na于3种不同的吸附材料上，FeCl3改性活性炭对焦化废水中有机物的吸附效果最好，其对COD的吸附率高达73.98%。然后，进一步探讨了用FeCl3改性活性炭处理焦化废水中有机物的最佳吸附剂质量浓度以及最佳吸附时间。在吸附剂质量浓度为8 g/L、吸附时间为3 h的条件下，FeCl3改性后的活性炭对废水中有机物的吸附率高达90.24%、吸附量92.50 mg/g。

木炭；活性炭；柚子皮；吸附；改性；废水处理

焦化废水主要来源于煤干馏及煤气冷却和净化过程[1]，成分复杂，毒性大，色度高[2]，性质非常稳定，是典型的较难处理的有机工业废水[3]。现有处理技术主要采用生物脱氮和高级氧化深度处理集成工艺将焦化废水中绝大多数的有机污染物去除[4]，极大地改善了废水水质。但在高级氧化的过程中，一些大分子难降解有机物开环、断链为小分子有机物，致使废水中依然含有一定浓度的剩余小分子有机物，加之进水水质波动范围较大，最终导致深度处理后废水的COD和色度很难稳定达标[5]。

吸附法由于操作简单、无二次污染等特点被广泛用于焦化废水的处理[4]。活性炭问世于100年前，并一直延续到现在，因其特殊的物理吸附特性和表面化学结构而具有很强的吸附能力，被广泛应用于电子、环保、化工、医用卫生等一些领域中。木炭是一种具有吸附性能的多孔性的固体燃料。由于木炭具有大量的过渡孔和微孔，使它不仅有较高的比表面积，而且在排除孔内焦油物质后将有十分良好的吸附性能。柚子又名“文旦”，生活中可利用其非常好的吸附功能。

本研究以改性活性炭、木炭、柚子皮作为吸附剂，对焦化废水中有机物处理并进行吸附实验研究。

1 材料与方法

1.1 实验所用焦化废水来源

实验过程中采用的焦化废水取自山西汾阳某焦化厂，其水质为：COD 820 mg/L，NH3-N质量浓度221 mg/L，色度675度，pH值8.8左右。

1.2 实验药剂和仪器

实验所用活性炭购自化工市场；柚子皮购自农贸市场；木炭为临汾某农户自制木炭(高温缺氧窑烧制)。

实验所用破碎机为QM-(0～5)L辊筒球磨机；WHY-2型水浴恒温振荡器；XZ-WS色度检测仪；XJ-III消解装置；UV-1801紫外分光光度计；101-3-BS电热恒温鼓风干燥箱。

1.3 改性吸附剂的制备

1.3.1 吸附材料的预处理

1) 取一定量的新鲜柚子皮，去除其外皮并切割成大约1 cm3的正方形小块，用自来水清洗至干净为止。用25%的异丙醇浸泡24 h，清洗干净，烘干至恒重。用球磨机研磨成粉末状后用178 μm(80目)筛子筛分，取筛下粉末。

2) 取一定量的活性炭颗粒和木炭用球磨机研磨，调其转速170 r/min，磨碎30 min，并用178 μm(80目)筛子筛分取筛下粉末。

1.3.2 吸附材料的改性

配制质量分数为10%的FeCl3溶液，按表1的配比，调节温度为30 ℃、转速为120 r/min，在水浴振荡器中振荡12 h，静置12 h。将静置后的溶液进行过滤，并将滤后的滤饼于105 ℃的恒温烘箱中烘干至恒重。将烘干的吸附剂研磨成粉末状，置于药品袋中并放于干燥器中待用。

表1 改性配比

2 结果与讨论

2.1 不同改性吸附材料对焦化废水中有机物的吸附

用质量浓度为8 g/L未改性的活性炭和FeCl3、PAC、NaCl改性后木炭、活性炭、柚子皮吸附焦化废水，在温度30 ℃、转速120 r/min的振荡器中振荡12 h，静置12 h后用0.45 μm的滤膜抽滤，取其滤液，最后测定其COD。去除效率见图1。

图1 吸附剂对焦化废水中COD的吸附率

由图1可见，总体上说，活性炭对焦化废水中有机物的吸附效果较好。未改性的活性炭对焦化废水中有机物的去除率为72.36%，PAC改性的活性炭的吸附率为68.29%。而用FeCl3改性的活性炭对有机物的吸附效果最好，去除效率高达73.79%。其原因可能是，使用FeCl3浸泡活性炭过程中增大了活性炭的比表面积，FeCl3本身又具有混凝作用，从而提高了活性炭对焦化废水中有机污染物的吸附效果。

对于木炭，用PAC改性的木炭对废水中有机物的去除效率为39.84%。而用FeCl3改性后的去除效率仅为30.08%，比未改性的去除效果还差。可能是因为，FeCl3对木炭特殊的吸附结构产生某种程度的破坏。用PAC改性后的效果比未改性的效果好，可能是由于，木炭上负载的PAC对废水中悬浮的有机物有混凝作用，木炭负载上Al对有机物的吸附效果有所提高。

对于柚子皮吸附剂，其对焦化废水中有机物的吸附效果较差，基本维持在20%左右，不适合作处理焦化废水中有机物的吸附剂。

以活性炭为原料的吸附剂对COD的吸附效果大约是以木炭为原料吸附剂吸附率的2倍，因此，需要进一步讨论活性炭对焦化废水中有机物的吸附。

2.2 不同改性药品改性活性炭对焦化废水中有机物吸附率的影响

分别取100 mL的焦化废水于5个250 mL锥形瓶中，均加入0.8 g不同改性剂改性后的活性炭，保持吸附剂质量浓度为8 g/L，在30 ℃温度下，以120 r/min水浴加热搅拌，分别振荡12 h并静置12 h，用0.45 μm的滤膜抽滤，取其滤液测定COD，考察不同改性活性炭对焦化废水中有机物吸附率的影响。测定结果见图2。

图2 改性活性炭的药品种类对废水中COD的吸附效果

由图2可知，不同的改性方法对有机物的去除效果有所不同。粉末状的活性炭对焦化废水中有机物的去除效率较颗粒状活性炭去除效率高，说明吸附剂的状态对吸附效率有一定的影响。主要是因为，粉末状的活性炭吸附剂比表面积大，与吸附质接触表面积增大导致吸附效果提高。

PAC和NaCl改性后的活性炭对焦化废水中有机物的去除效率分别68%和72%，与未改性的粉末活性炭的吸附效果基本一致，甚至有所下降。由此可以得出，铝与钠改性活性炭并没有提高活性炭的吸附效果，反而某种程度上破坏了活性炭原来某种特殊的、具有吸附性能的化学结构，从而影响了活性炭对有机物的吸附效率。因此，用活性炭吸附焦化废水中的有机物时，不宜采用铝盐和钠盐来改性吸附剂。

FeCl3改性活性炭后焦化废水中有机物的去除效果得到提高，出水COD为200 mg/L，去除率达到74%左右，对废水中有机物的吸附量达到75.92 mg/g。其原因可能是，FeCl3改性后，其吸附剂内部有效孔道增多，比表面积增大，或者是吸附剂表面的羧基官能团有所增加，羰基官能团减少，提高了活性炭的吸附能力。

2.3 吸附剂浓度对焦化废水中有机物吸附率的影响

取100 mL焦化废水于250 mL锥形瓶中，分别加入0.4、0.6、0.8、1.0 g FeCl3改性后的活性炭，在30 ℃温度下，以120 r/min水浴加热搅拌4 h，静置10 min后用0.45 μm的滤膜抽滤，取其滤液测定COD，考察FeCl3改性活性炭不同投加量对焦化废水中有机物吸附率的影响。测定结果见图3。

图3 吸附剂质量浓度对废水中COD吸附效果的作用

由图3可知，当FeCl3改性后活性炭的投加质量浓度为4 g/L时，COD的吸附率为78.86%，随着投加质量浓度的增大，对废水中有机物的吸附效果也逐渐增大；当投加质量浓度为8 g/L时，有机物的吸附率高达85.37%；继续增大投加量为10 g/L时，吸附率为83.74%，并没有继续上升。所以，当投加量到达8 g/L时，对焦化废水中的有机物已经达到吸附饱和；质量浓度为8 g/L比质量浓度为6 g/L时对COD的吸附率提高了4.04%。由此可以确定，FeCl3改性活性炭处理焦化废水中有机物的最佳投加质量浓度为8 g/L。

2.4 吸附时间对焦化废水中有机物吸附率的影响

分别取100 mL的焦化废水于5个250 mL锥形瓶中，均加入0.8 g FeCl3改性后的活性炭，保持吸附剂质量浓度为8 g/L，在30 ℃温度下，以120 r/min水浴加热搅拌，分别振荡0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 h，用0.45 μm的滤膜抽滤，取其滤液测定COD，考察FeCl3改性活性炭不同吸附时间对焦化废水中有机物吸附率的影响。测定结果见图4。

图4 吸附时间对废水中COD吸附效果的影响

由有机物的吸附曲线(见图4)可以看出，开始时，改性活性炭表面与焦化废水之间的有机物浓度梯度很大，驱动力大，吸附速度快；0.5 h后，63%左右的有机物已经被吸附，1.0 h吸附率已达到85%左右；之后，因浓度梯度小，改性活性炭吸附剂趋于饱和而导致吸附速度下降，但吸附能力还在提高，焦化废水的有机物浓度继续降低，3.0 h时吸附率达到90.24%，剩余的有机物含量仅有80 mg/L，达到吸附饱和；随着时间的延长，4.0 h时吸附效率下降，说明开始出现解吸，导致剩余有机物含量升高。因此，FeCl3改性活性炭对焦化废水中有机物来说，最佳吸附时间为3.0 h左右。

3 结论

1) 木炭、活性炭、柚子皮3种吸附原料吸附焦化废水中的有机物时，活性炭的吸附效果最好；未改性的活性炭、用FeCl3改性活性炭、用PAC改性的活性炭以及用钠盐改性活性炭处理焦化废水时，FeCl3改性活性炭对有机物的吸附效果最好。

2) FeCl3改性活性炭吸附焦化废水中有机物的最佳吸附质量浓度为8 g/L、最佳吸附时间为3.0 h，在此条件下处理焦化废水中的有机物去除率达到90.24%，对COD的处理效果非常明显。因此，此方法值得研究并应用于工业中处理焦化废水。

3) 用吸附法处理焦化废水中的有机物时，吸附材料的种类，吸附材料颗粒的大小，改性药品的种类、投加浓度，吸附时间对吸附效果都产生了一定程度的影响。

[1] 韦朝海，贺明和，任源，等.焦化废水污染特征及其控制过程与策略分析[J].环境科学学报,2007,27(7):1083-1093.

[2] 肖芳.大孔吸附树脂对有机化工废水中低浓度水溶性有机物的吸附特性与回收工艺研究[D].成都:四川大学,2004.

[3] 潘碌亭，吴锦峰.焦化废水处理技术的研究现状与进展[J].环境科学与技术,2010,33(10):86-87.

[4] 范明霞，皮科武，龙毅，等.吸附法处理焦化废水的研究进展[J].环境科学与技术，2009,32(4):102-105.

[5] 李茂，韩永忠，丁太文，等.树脂吸附-Fenton氧化法处理高浓度焦化废水[J].工业水处理，2006,26(10):23-26.

Adsorption of organics in coking wastewater by Fe/Al/Na-different modified adsorbent

LI Wenying

(Department of Environment Engineering, Shanxi University, Taiyuan Shanxi 030013, China)

In this paper, the charcoal, activated carbon, grapefruit skin were selected as raw sorbent material, modified adsorbent was prepared by grinding and loading with Fe/Al/Na. Meanwhile, the adsorption characteristics were investigated by a batch static adsorption tests. The result showed that activated carbon by FeCl3-modified had the best absorption efficiency on organic compounds in coking wastewater in different modified adsorbents, and the COD removal efficiency could reach up 73.98%. And then optimal adsorption concentration and optimal adsorption time were studied using activated carbon by FeCl3-modified. Under the conditions that temperature was 30 ℃, adsorption concentration was 8 g/L and adsorption time was 3 h, the removal rate and adsorption capacity of COD in coking wastewater could reach 90.24% and 92.50 mg/g.

charcoal; activated carbon; grapefruit peel; adsorption; modification; wastewater treatment

2016-06-16

李文英，女，1985年出生，2011年毕业于太原理工大学，硕士研究生，讲师。研究方向：水污染控制。

环境保护

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2016.05.37

X307

1004-7050(2016)05-0118-04