活性炭对废水中对氯硝基苯的吸附特性研究

陈 燕

（湖南省保靖县环境保护局，湖南保靖 416500）

活性炭对废水中对氯硝基苯的吸附特性研究

陈 燕

（湖南省保靖县环境保护局，湖南保靖 416500）

研究了活性炭加入量、吸附温度、吸附时间、pH值不同时活性炭对模拟废水中对氯硝基苯的吸附特性。结果表明：活性炭对对氯硝基苯废水中的对氯硝基苯的去除率随活性炭加入量的增加而增大，在200mL浓度为100mg/L对氯硝基苯废水中最佳活性炭加入量为0.2g，去除率达96.68%，动态吸附平衡时间为22min；随温度的升高活性炭对对氯硝基苯废水中的对氯硝基苯的去除率也增大，最佳吸附温度为35℃；100mg/L对氯硝基苯废水的最佳吸附pH值为7。活性炭对对氯硝基苯的吸附符合BET等温吸附方程式，在20℃条件下，吸附等温线方程为：，线性相关系数R2=0.998 6，估算出所用活性炭比表面积为428m2/g。

活性炭；对氯硝基苯；吸附

对氯硝基苯是一种工业来源广泛的有机污染物，在我国的地表水和水源水中时有检出。硝基氯苯对人体具有毒害作用，并且在自然界中很难降解，具有致畸、致癌、致突变的作用[1-2]，已经被美国国家环境保护局列为水环境中优先控制的有机污染物[3]。目前对此类废水的治理尚无有效的方法[4]。

吸附法是一种常用的污水处理方法，主要用来分离去除废水中的微量污染物，常用于脱色、除臭味、去除重金属、去除溶解性毒性有机物、去除放射性元素等[5-7]。在常见的污水处理流程中，吸附法也经常用于离子交换和膜分离的预处理，用于去除污染有机物、胶体物或者余氯等，以保证处理出水的水质质量[8-9]。

本文通过吸附试验研究了活性炭吸附对对氯硝基苯的吸附特性，通过考察活性炭加入量、温度、吸附时间、溶液的pH值对活性炭吸附水中对氯硝基苯效果的影响，得出具有工程指导价值的参考数据。

1 试验材料和仪器

1.1 药品

对氯硝基苯（化学纯，中国上海试剂一厂），活性炭（粉末状，市售），盐酸（分析纯，湖南邵阳化学试剂厂），氢氧化钠（分析纯，天津石英钟厂霸州市化工分厂）。

1.2 实验仪器

紫外分光光度计（UV721G-100，上海仪电仪器厂），电子天平（AUY-120型，日本岛津公司），恒温震荡器（THZ-82A型，上海金坛富华仪器公司），数字酸度计（SevenCompact，梅特勒-托利多国际股份有限公司），磁力搅拌器（HWJB-2100A，河南中良科学仪器有限公司）。

2 试验方法

2.1 活性炭的预处理

活性炭使用前需要进行预处理，以防止活性炭上无机盐及其他杂质对吸附的干扰。首先将活性炭放进去离子水中浸泡24h，然后过滤，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，备用[10-13]。

2.2 吸附条件的影响

2.2.1 活性炭加入量对吸附效果的影响

取200mL100mg/L的对氯硝基苯溶液6份，置于6个烧杯中，分别加入0.02～0.25g六种不同质量的活性炭。在20℃震荡吸附条件下，分别间隔一定时间取水样，利用紫外可见光分光光度计测定其吸光度，直至吸附平衡，计算去除率。

2.2.2 吸附时间对吸附效果的影响

取200mL100mg/L的对氯硝基苯溶液3份，置于三个烧杯中，每份分别加入0.05g、0.1g、0.15g活性炭。在20℃震荡吸附条件下，间隔一定时间取水样，利用紫外可见光分光光度计测定其吸光度，直至吸附平衡，计算去除率。

2.2.3 吸附温度对吸附效果的影响

取200mL100mg/L的对氯硝基苯溶液5份，置于5个烧杯中，每份加入0.05g活性炭，调节温度分别为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，震荡吸附，分别间隔一定时间取水样，利用紫外可见光分光光度计测定其吸光度，直至吸附平衡，计算去除率。

2.2.4 pH值对吸附效果的影响

取200mL100mg/L对氯硝基苯溶液7份，置于7个烧杯中，采用盐酸溶液和氢氧化钠溶液调节水样的pH值分别为1～13的7个不同pH值，每个烧杯加入0.05g活性炭，在20℃下震荡吸附，分别间隔一定时间取水样，利用紫外分光光度计测定其吸光度，直至吸附平衡，计算去除率。

2.3 吸附等温线

配制100mg/L对氯硝基苯溶液，取8份200mL该溶液置于烧杯中，每份分别加入不同质量的活性炭。在20℃条件下恒温震荡吸附至吸附平衡。测定吸附平衡浓度，得出各吸附平衡时溶液中对氯硝基苯的浓度和平衡吸附量，绘制吸附等温线。分别用BET、Freundlich、Langmuir吸附等温式拟合，得出活性炭吸附废水中对氯硝基苯的最佳吸附等温线公式。

2.4 分析方法

采用紫外分光光度计在286 nm处测定各水样的吸光度，以确定溶液中对氯硝基苯的去除率[4]。

3 结果与讨论

3.1 单因子影响研究

3.1.1 活性炭加入量对对氯硝基苯吸附效果的影响

用活性炭吸附对氯硝基苯的废水，测定达到吸附平衡时不同活性炭加入量对去除率的影响。如图1所示：

图1 活性炭的加入量对对氯硝基苯去除率的影响

由图1可知，活性炭加入量与废水中对氯硝基苯的处理效果正相关。但随着活性炭加入量的增多，单位质量活性炭对对氯硝基苯的吸附量会减少，导致活性炭的利用率降低。在200mL 100mg/L的对氯硝基苯溶液中，加入0.2g活性炭对对氯硝基苯去除率接近最高值。对浓度为100mg/L对氯硝基苯废水中对氯硝基苯的去除率达到96.68%（图1），饱和吸附时间为22min。在实际应用中，应该注意活性炭的用量，根据需要处理的废水浓度加入最合适的炭量，以节省材料。

3.1.2 吸附时间对对氯硝基苯吸附效果的影响

用活性炭吸附对氯硝基苯的废水，测定不同吸附时间对去除率的影响。如图2所示：

图2 不同吸附时间对对氯硝基苯吸附效果的影响

由图2可知，在吸附开始阶段吸附速度非常快，但随着时间的延续增大幅度逐渐减小，吸附慢慢接近吸附平衡。在实际应用中，应注意控制吸附时间，保证活性炭与对氯硝基苯充分接触，以缩短处理周期。

3.1.3 温度对对氯硝基苯吸附效果的影响

用活性炭吸附对氯硝基苯的废水，测定达到吸附平衡时不同温度对去除率的影响。如图3所示，随着温度升高，活性炭对对氯硝基苯的去除率总的趋势在升高，并且在20～33℃上升幅度较大，在35℃去除率接近饱和，去除率为89.3%。这说明活性炭对对氯硝基苯的吸附以物理吸附为主，同时在活性炭分子上存在着—OH，—COOH等官能团，所以也存在着一定量的化学吸附。在升温过程中，化学吸附会增强，占主导作用，升温有利于化学吸附，导致总的吸附率增大。故活性炭对对氯硝基苯废水的最佳吸附温度为35℃。在实际应用中应尽量控制对对氯硝基苯废水处理的温度，以提高活性炭的利用率。

图3 温度对对氯硝基苯去除率的影响

3.1.4 pH值对对氯硝基苯吸附效果的影响

用盐酸和氢氧化钠调节对氯硝基苯溶液的pH值。不同pH值下活性炭对对氯硝基苯的吸附规律如图4所示：

图4 pH值对去除率的影响

由图4可知，活性炭对废水中对氯硝基苯的吸附在中性范围最大，吸附去除率为91.9%，活性炭对对氯硝基苯的吸附量为367.6mg/g。这说明活性炭对分子状态的溶质吸附性更强，对氯硝基苯在溶液pH中性时主要呈分子状态，在酸或碱条件下部分以离子态存在。对于100mg/L对氯硝基苯溶液的pH在7～8之间，故在实际应用中不需加入酸碱调节剂，或加少量酸调节剂就能达到较高的去除率。

3.2 等温吸附曲线

3.2.1 吸附等温线的绘制

根据3.3的方法绘制20℃时活性炭对废水中对氯硝基苯的吸附曲线，如图5所示：

图5 活性炭对对氯硝基苯的吸附曲线

由图5可知，随着达到平衡时溶液中对氯硝基苯的浓度的升高，单位质量活性炭吸附对氯硝基苯的吸附量与之正相关。活性炭加入量为0.05g时，达吸附平衡时水中对氯硝基苯浓度为9.24mg/L，吸附量为363mg/g。根据吸附等温线图，活性炭加入量较大时平衡吸附量升高趋势较慢，当活性炭加入量小于0.05g时，平衡吸附量快速增加。这说明活性炭加入量较大时以单分子层吸附为主，吸附剂浓度大量增加后会形成多分子层吸附[18]。

3.2.2 BET（Brunaner，Emmett、Teller）吸附等温线拟合

由BET吸附等温线公式：

式中：qe——平衡吸附量，mg/g；

ce——吸附质的平衡浓度，mg/L；

cs——吸附质的饱和浓度，mg/L；

a——单层吸附最大吸附量，mg/g；

B——常数，与吸附剂和吸附质之间的相互作用能有关。

BET吸附等温线公式转换为直线形式：

将ce/cs与ce/[qe（cs-ce）]分别为横坐标和纵坐标，拟合成一条直线，即为BET等温线，直线的线性相关系数即拟合度[17-20]。拟合直线如图6所示：

图6 BET吸附等温线拟合

由图6 BET吸附等温线拟合得出其吸附等温方程式为：

即（B-1）/（aB）=0.0028；1/（aB）=0.0002。可求得：B= 15；a=333.33。

得BET吸附等温线方程：

根据公式：

式中：as——吸附剂比表面积，m2/g；

a——单层吸附最大吸附量，g/g；

M——吸附质分子量，g/mol；

N0——阿弗加德罗常数，6.022×1023；

Am——单个吸附质分子所占面积，m2。

由BET拟合计算可得：a=0.333g/g，对氯硝基苯分子量M为157.56，查相关表格可知对氯硝基苯分子直径约为0.58nm，可估算单个对氯硝基苯分子所占面积为0.336×10-18m2，从而计算出活性炭的比表面积为428m2/g。

4 结论

1）在20℃条件下，振荡条件下用活性炭吸附100mg/L溶液中的对氯硝基苯，加入活性炭量以0.2g为宜，去除率达到96.68%，饱和吸附时间为22min。

2）温度与活性炭对对氯硝基苯的吸附率呈正相关，最佳吸附温度为35℃。

3）在pH中性条件下活性炭对对氯硝基苯的吸附率最大，偏酸性或碱性条件下吸附率会减小。

4）通过BET吸附等温试验，得出20℃条件下活性炭吸附对氯硝基苯的吸附等温线方程为：R2=0.998 6。求得所用活性炭比表面积为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

陈燕（1976—），女，湖南保靖人，工程师，主要从事环境监测和环境污染治理技术工作。