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印染废水净化中活性炭吸附法的应用

2019/09/10 阅读:

[摘要]印染废水的净化已成为印染行业亟待处理的重要问题。印染废水的处理出现了物理处理法、化学处理法和生化处理法,而吸附法属于物理方法中的一种,因具有操作简单、投资费用低、对多种染料都有较好的去除效果等优点,在废水处理中占有很大比重。本文着重讨论了活性炭对印染废水的吸附机理,并对活性炭吸附影响因素进行了分析,对印染废水的活性炭吸附处理与研究进行了展望。

[关键词]活性炭;印染废水;吸附

印染废水具有有机污染物含量高、色度高、毒性大、水质变化大等特点[1]。其中,色度高是印染废水处理的一大难题,是由于染色加工过程中部分不能上染坯布的成分复杂的染料导致,主要是以芳烃和杂环化合物为母体,带有显色基团(如-N=O-)和极性基团(如-SO3Na,-OH,-NH2)以及一些助剂,如缓染剂或促染剂等便排入废水中。[2]印染企业的生产工艺在各类染料和助剂中添加有不同种类、较大剂量的重金属物质,这些重金属物质随工业废水进入污水处理系,往往会抑制微生物的生长,对废水中的好氧生物处理工艺造成严重影响。当水体中重金属积累到一定的限度,就会对水体、水生动物系统产生严重危害,生物体会出现生理受阻、发育停滞、死亡等情况,后果则是整个水生生态系统结构和功能都会受损甚至崩溃[3-4]。

1活性炭吸附印染废水机理

1.1吸附法脱色机理

活性炭具有极大的比表面积,其内部分布着极其丰富的孔隙,孔隙之间相互连接形成了一个十分发达的网络系统,活性炭从而拥有了极大的比表面积以及其表面布满丰富的官能团,以至于对各种污染物具有良好的吸附去除效果。利用其极强的吸附能力,易吸附较大的染料分子,通过絮凝沉降达到脱色及降低COD含量的效果。颗粒种类的不同其吸附脱色效果也有所不同。同等条件下,椰壳活性炭比果壳、煤炭活性炭对模拟活性染料废水的吸附效果好,果壳活性炭吸附脱色效果次之,煤质活性炭吸附脱色效果最差。活性炭本身结构不同,孔洞具有较大的差异性导致了这种差别[5]。

1.2活性炭吸附法去除废水中金属离子机理[6]

在对金属离子吸附方面,物理吸附、化学吸附和离子交换是活性炭吸附主要的机理。RiveraUtrilhaJ[8]等用臭氧活化活性炭,两种活性炭在不同的活化时间制得,在pH均为6,温度同为298K的相同条件下,两种活性炭与原活性炭对含Cr3+水溶液进行吸附。通过该实验,RiveraUtrilhaJ等人发现,在活性炭与Cr3+的反应中,表面官能团起着着举足轻重的作用,静电相互作用为主要的吸附机理。

1.3活性炭吸附法对废水中微量有机物的吸附机理[7]

活性炭吸附微量有机物主要可以通过三种机理解释:(1)发生在吸附质与表面含氧基团给电子—受电子作用(2)发生在石墨结构的n电子与吸附质之间的扩散作用(3)离子间存在的静电吸引和排斥作用Mattson[8]等在活性炭对有机物进行吸附的过程中发现,起最大作用且有最大影响的是其表面的羰基,它和吸附质苯环上的n电子间的作用力是活性炭吸附作用力的主要来源。当吸附质苯环上有吸电子基团时,吸附量会因此增加,是因为吸附质苯环本身是受电子体,而活性炭表面的羰基是给电子体,这两者合在一起便形成了我们所知的给电子-受电子复合物。但同理可得,如果活性炭氧化了,其表面的羰基也会氧化成羧基,没有了给电子-受电子结构的复合物,活性炭对有机物的吸附量也就会因此而下降。MorenoCastillaC[9]等人进行了活性炭对取代苯酚进行吸附的研究,在实验过程中他们也运用了相同的机理。范晓丹[10]等人对实际印染废水进行了深度处理,并对处理后的废水的生物毒性进行了表征。实验过程中他们采用的是经过改良后的活性炭,其表面负载了经驯化后的微生物,以此研究生物活性炭系统中存在的生物相及其降解有机污染物的作用。在活性炭吸附法处理过程中,这三种吸附往往同时存在,去除污染物需要它们的综合作用[11]不同的活性炭对印染废水的有机微生物吸附效果也有所不同,由李欣珏[12]等人用小型活性炭床吸附印染废水生化出水中各类有机物实验中可得知煤质炭和椰壳炭对印染废水生化出水中的有机物均有显著的去除效果。

1.4活性炭吸附法对废水中COD的去除机理

李欣珏[12]等采用煤灰质碳、竹炭和椰壳炭3种炭型分别进行了吸附试验,研究对象是印染废水生化单元出水。研究表明,活性炭能有效地去除印染废水中的COD、DON及生化出水时的生物毒性。何莹等[13]以玉米秸秆和市政污泥为原料,采用化学活化法热解制备的污泥-秸秆基活性炭具有发达的微孔和中孔结构。不同配比的吸附剂的最佳吸附条件不同。在吸附过程中,活性炭对COD的去除率随着吸附时间的增加呈现先逐渐上升而后达到吸附饱和的趋势,酸性环境有利于活性炭表面的碱性基团功能的发挥,进而提高活性炭对渗滤液中COD的净化效率[14]。

2活性炭吸附印染废水的影响因素

2.1pH

在使用吸附法对印染废水进行处理时,pH在脱色、吸附金属离子、去除有机物等方面有着明显的影响。活性炭脱色时,在pH值较低时有着较好的吸附效果,随着pH的升高,吸附效果变差。兰慧芳[5]等人研究得出在pH值为3.5和5.5时,活性炭表现出较好的吸附脱色效果。不同的pH值对金属离子的吸附同样有着不一样的吸附效果,康玉莹[15]等人研究表明,不同pH值对铬离子的吸附率不同,随着pH值增加,吸附速率逐渐降低。在低pH环境中,去除水中的有机物的效果也同样较好。

2.2吸附时间

由多孔介质的吸附动力学模型可知,吸附初期阶段染料分子快速填充在活性炭的孔隙中,然后因为扩散阻力的增加,吸附速率下降。所以在投放活性炭的初期,短时间内吸附脱色效果提升明显,随着时间的推移,脱色效果逐渐趋于稳定,此时延长时间对脱色的效果增加并不明显,吸附趋于平衡[16]。活性炭吸附金属离子时,吸附初期吸附率迅速升高,随着时间的增加吸附率缓慢上升,一段时间后吸附趋于平衡。陈小敏[17]等人研究结果显示,有机物的最佳吸附时间为1小时。

2.3温度

适当升温可提升活性炭的脱色效果,但温度过高会使颗粒热运动加速,使颗粒热运动加速,碰撞几率上升,同时也会加速活性炭外表面水分子的解吸,同时温度过高会造成吸附剂的变质。活性炭吸附金属离子为吸热反应,因此,升高温度,反应向正方向进行,溶液中分子运动剧烈,金属离子与活性炭表面接触更多。根据活性炭与各种吸附物质之间的作用特性,温度变化会影响吸附效果,如果活性炭与吸附物质之间的反应为放热反应,则升温会减小活性炭的吸附性能。[18]

2.4活性炭的种类

不同种类的活性炭有着不同的孔径分布,对污水的吸附效果也随之不同。按照制作活性炭的原料可分为木质活性炭、果壳活性炭、煤质活性炭、石油类活性炭、再生炭及矿物质原料活性炭等。同等条件下,椰壳活性炭吸附效果最好,果壳活性炭次之,煤质活性炭吸附脱色效果最差[6]。

2.5活性炭的粒径

一般来说,吸附量的多少随着活性炭表面积的增大而增加。同等质量下的活性炭,粒径越小,表面积越大,吸附能力越好。王鹏程[19]等人的研究表明:在其他实验条件相同时,活性炭的粒径越小,总铬的去除率越高。

2.6活性炭的投加量

活性炭的投加量对污水中污染物的吸附效率的影响较为明显,随着活性炭投加量的增加,对污染物的的吸附效率先大幅度上升,之后趋于稳定,但随着投加量继续增加,吸附量达到饱和之后,吸附效率呈现下降的趋势。张声洲[20]的研究表明在相同的振荡时间、相同浓度下,普通活性炭加入量增加,亚甲基蓝值会随之升高。

3结语

处理复杂的废水,特别是含多种类染料和有机物的废水,仅依赖吸附脱色技术无法达到预想的处理效果,因而复合吸附剂的研发尤其是集合包括吸附在内的多种处理技术的研发可提高宽广的范围及适用性。同时,为避免或减少二次污染,应对废水做好妥善的后期处理及对吸附剂进行再生处理加以利用。

作者:李曼菲 简子兴 何钥媚 黄锦勇 单位:北京理工大学珠海学院

印染废水净化中活性炭吸附法的应用

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