改性焦粉吸附处理亚甲基蓝印染废水研究

Posted 2023-01-12 浓度

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本文以焦粉为原料，采用过二硫酸铵化学法改性焦粉，将其应用于亚甲基蓝印染废水处理，初步得出改性焦粉吸附处理亚甲基蓝废水工艺条件为：振荡时间80min、pH值≥10、改性焦粉用量0.8g、亚甲基蓝废水初始浓度小于20mg/L。拟合实验数据得出改性焦粉对亚甲基蓝的吸附属于Langmuir单分子层吸附；研究了不同温度下的平衡参数(RL)与亚甲基蓝初始浓度(Ci)的关系，RL都处于0～1之间，表明改性焦粉对亚甲基蓝的吸附性能较好。
印染废水是目前国内主要的、较难处理和对环境危害极大的一类工业废水。我国每年要排放大约1.16×109m3印染废水。目前，国内外科研人员用改性粉煤灰、凹凸棒石粘土等吸附材料对印染废水处理的研究报道不少[2，3]。蔡冬鸣等通过静态吸附试验研究δ-MnO2吸附水中阳离子染料亚甲基蓝的动力学和机理。结果表明：吸附过程符合表观2级动力学方程，物料传递和微孔扩散是限速步骤。彭书传等研究了坡缕石对水中亚甲基蓝的吸附动力学，结果表明：坡缕石对亚甲基蓝的吸附动力学数据符合准二级速率方程，吸附过程是由化学吸附和液膜扩散共同控制的。冶金、化工、电石等企业在焦炭利用过程中要产生大量的焦粉。它具有固定碳含量高、挥发分低、强度高等特点。焦粉不仅造成大量能源、资源浪费，而且危害人们的身体健康。研究表明，焦粉虽具有一定的吸附性，但吸附容量低，对其进行改性，使其更适于废水处理就显得非常必要。本文以焦粉为原料，采用过二硫酸铵化学法改性焦粉。研究改性焦粉对水溶液中亚甲基蓝的吸附特性及其吸附机理，为焦粉的资源化利用得出有益的实验数据。
1.实验
1.1主要材料与仪器
焦粉(水分2.26%、灰分13.5%、挥发分4.55%、硫含量0.8%、固定碳78.89%，酒泉钢铁集团公司)，THZ-92B气浴恒温振荡器；AB204-N电子分析天平；ViS-7220G可见分光光度计；2XZ-2旋片式真空泵；JSM-6701F场发射扫描电镜，日本光学公司。
1.2分析方法
本实验通过分光光度法，测定吸附前后的溶液浓度变化，并按下式计算吸附量：
q=V(Ci-C)/W
式中：q为吸附量，mg/g；V为溶液体积，L；W为改性焦粉量，g；Ci为初始吸附质浓度，mg/L；C为吸附后剩余吸附质浓度，mg/L。
1.3焦粉改性
焦粉经粉碎机破碎后，用标准筛筛分出160～180目的焦粉100g左右。在焦粉中加入适量30%过二硫酸铵溶液，连续搅拌1～2h，于60～70℃的温度下抽真空将其水分蒸干，再将其置于马弗炉中，升温至350～400℃保温1h，冷却至室温即得到改性焦粉。
2.结果与讨论
2.1接触时间对改性焦粉吸附亚甲基蓝性能的影响
将6份亚甲基蓝溶液放入锥形瓶中，分别加入精确称量的改性焦粉，室温下将锥形瓶置于恒温振荡器内，分别振荡不同的时间后，离心，测定其上层清液的吸光度，确定其吸附前后溶液的准确浓度。结果见图1。

从图1中可以看出，改性焦粉与亚甲基蓝溶液的接触时间对其吸附容量有一定的影响，即吸附量随着时间的延长而增大，而当接触时间为80min时，改性焦粉的吸附量随时间的变化趋于平缓，再延长吸附时间改性焦粉吸附量增加不明显。
2.2亚甲基蓝初始浓度对改性焦粉吸附性能的影响
分别取6份50mL不同初始浓度的亚甲基蓝溶液，加入一定量改性焦粉，将锥形瓶置于23℃的恒温振荡器内，振荡80min、离心，测定其上层清液的残余浓度，考察了初始浓度与改性焦粉吸附性能的影响。结果见图2。

由图2可知，随着亚甲基蓝溶液初始浓度的增加，改性焦粉吸附剂的单位吸附量增加。这是由于在其他条件不变时，吸附质浓度增加，吸附剂表面和溶液主体的浓度梯度增加，吸附的推动力增大，单位吸附量增加。
2.3亚甲基蓝溶液pH值对改性焦粉吸附性能的影响
分别取6份亚甲基蓝废水溶液，用HCl和NaOH调节其pH值分别为3.26、5.15、6.92、9.04、10.71、11.99。分别加入改性焦粉，在25℃下将锥形瓶置于恒温振荡器内，振荡80min，考察pH值对废弃焦粉吸附亚甲基蓝性能的影响。结果见图3。

由图3看出，pH值对改性焦粉吸附亚甲基蓝的性能有较大影响，当pH值由3.26增加到5.15时，其吸附量迅速增加；pH值由5.15到9.04时，吸附量随pH值变大的幅度略微变缓；当pH值>10.71时，改性焦粉对其的吸附量又有明显增大的趋势。主要原因可能是随着溶液pH值的增加，溶液中OH-增加，改性焦粉由于吸附OH-使其表面电负性增加，电性作用使改性焦粉对亚甲基蓝阳离子的吸附量随溶液pH值增大而增加。
2.4改性焦粉用量对其吸附性能的影响
分别取6份亚甲基蓝溶液，加入不同质量的改性焦粉，室温下将锥形瓶置于恒温振荡器内，振荡80min，离心，测定其上层清液的残余浓度，考察吸附剂用量对改性焦粉吸附性能的影响。结果如图4所示。

由图4可知，随着改性焦粉投加量的增加，吸附量均呈现减小的趋势且减小程度降低。原因可能是在吸附质浓度及其他条件不变的情况下，吸附剂投加量增加，吸附剂整体活性吸附点位数量增加，单位面积吸附点位吸附的吸附质分子数减少，因而单位质量吸附剂吸附量下降。
2.5改性焦粉吸附亚甲基蓝理论模型的拟合
将实验数据分别代入Langmuir等温方程和Freundlich方程进行线性拟合[7，8]。结果表明，改性焦粉吸附亚甲基蓝，与Freundlich方程拟合线性关系较差(相关系数R=0.98595)，且用该模型计算平衡吸附量(qe)与实测值相差较大；而与Langmuir方程拟合程度较好(相关系数R=0.9963)，且用该模型计算平衡吸附量(qe)与实测值较吻合。从而可以判断改性焦粉对亚甲基蓝吸附服从于Langmuir等温吸附的理论模型。该吸附为单分子层吸附。
2.6温度对改性焦粉吸附性能的影响与评价
将不同温度条件下的实验数据，进行Langmuir等温方程线性拟合，拟合结果见下表。

表中不同温度下改性焦粉对废水中亚甲基蓝的吸附过程与Langmuir等温模型相关性较好(R值均在0.9951以上)，参数b、平衡吸附量qe均随着温度的升高而增大，说明温度升高有利改性焦粉对废水中亚甲基蓝的吸附，该吸附过程可能为吸热过程。
Langmuir等温吸附模型还有一个重要的特点就是其定义了无量纲的分离因子，即平衡参数(RL)，它的大小能够在一定程度上指示吸附过程是否是有利的[10，11]，其计算公式为：
RL=1/(1+bCi)
式中：RL为平衡参数，用于表示吸附过程的性质，0<RL<1，表示为有利吸附；RL>1，为不利吸附；RL=1，为可逆吸附；RL=0，为非可逆吸附。b为Langmuir等温式的参数，Ci为初始浓度。将相关实验数据代入上式作图，如图5所示。

从图5可以看出，在4个不同温度下，平衡参数RL的数值均处于0～1之间，这表明改性焦粉对亚甲基蓝的吸附为有利吸附，吸附性能比较好。
3.结论
(1)以废弃焦粉为原料，通过脱灰处理，采用过二硫酸铵化学改性焦粉，改性焦粉结构疏松，形成了具有一定吸附特性的孔隙结构。
(2)采用静态法用改性焦粉吸附处理亚甲基蓝印染废水最佳工艺条件为：振荡时间为80min、pH值>10、改性焦粉用量大于0.8g、亚甲基蓝废水初始浓度小于20mg/L。改性焦粉对亚甲基蓝的吸附符合Langmuir等温吸附模型，该吸附为Langmuir单分子层吸附。
(3)考察不同温度下的平衡参数(RL)与亚甲基蓝初始浓度(Ci)的关系，RL都处于0～1之间，表明改性焦粉对亚甲基蓝的吸附性能较好。