活性炭是一種多孔性含碳物質(zhì),已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè) 和國民經(jīng)濟的各個行業(yè),以及環(huán)境保護和人類生活的 各個方面.[1-5]傳統(tǒng)的活性炭制備多以木材、木炭、木屑、 椰子殼、果核等為原料,隨著社會環(huán)保意識的增強,尤 其是1998年發(fā)生在長江、松花江、嫩江流域的特大洪 水使人們已切身體會到生態(tài)惡化對民族生存和可持 續(xù)發(fā)展的巨大負(fù)面影響,國家迅速對自然森林禁伐,這些因素致使木材、木炭的來源萎縮,即制備活性炭的 原料受到極大的限制,價格也呈上漲趨勢.
據(jù)統(tǒng)計,我 國每年的花生殼產(chǎn)量為450萬t.近幾年來,隨著農(nóng)村 經(jīng)濟的發(fā)展和能源供應(yīng)的改善,農(nóng)民對花生殼的燃燒 利用逐漸減少,花生殼在農(nóng)村能源中的比重呈下降趨 勢,在此形勢下,利用切實可行的新工藝,以廢棄的生 物質(zhì)原料制備活性炭具有現(xiàn)實意義.
印染廢水具有水量大、有機污染物含量高、難降 解物質(zhì)多、色度高以及組分復(fù)雜等特點,屬難處理的 工業(yè)廢水.印染行業(yè)是工業(yè)廢水排放大戶,隨著化學(xué) 工業(yè)、染料工業(yè)的發(fā)展以及消費者對印染加工要求的 提高,大量新型印染助劑、染料、漿料等的廣泛應(yīng)用, 致使印染廢水中有機物成分越來越復(fù)雜多變,由于印 染廢水水質(zhì)變化大,生化處理效果不理想,尤以脫色 效果較差,已成為困擾印染廢水治理的關(guān)鍵問題.
本文 以農(nóng)業(yè)固體廢棄物花生殼作為原材料制備活性炭,探 討活性炭制備的工藝條件,并將所研制的活性炭用于 處理印染廢水,進一步探討活性炭吸附處理印染廢水 中色度的工藝條件.
1實驗
1.1材料與儀器
花生殼(黃石市某地的廢棄物),印染廢水(黃石市 某紡織有限公司,其最大吸收波長為604 nm,pH值為 5),硫酸(H2SO4),分析純.
儀器:AB204-N電子分析天平,梅特勒-托利多儀 器(上海)有限公司;SKFG-01電子分析天平、SX2-4- 13馬弗爐,湖北省黃石市醫(yī)療器械廠;THZ-82恒溫振 蕩器,常州國華電器有限公司;722型分光光度計,上海 精密科學(xué)儀器有限公司.
1.2活性炭的制備
將花生殼放入坩堝,于馬弗爐中炭化一定時間后 磨碎,過篩,取100目的炭素放入密封袋中待用.稱取 一定量的炭素于一定稀釋比的硫酸中,在水浴中加熱 一定時間后取出,用蒸餾水洗滌至中性,105℃烘干即 得活化的花生殼活性炭.
1.3印染廢水的處理
取一定量過100目的活性炭于100 mL具磨口塞 的錐形瓶中,再向錐形瓶中加入100 mL印染廢水,在 25℃下,放在水浴振蕩器上振蕩一定時間后,過濾,在 604 nm下測定吸附前、后的吸光度值.考察印染廢水 的脫色效果,按下列公式計算脫色率:
η=×100%A 0-Ae A0
式中:η為脫色率,%;A0為吸附前印染廢水的吸光度 值;Ae為吸附后的吸光度值.
2結(jié)果與討論
2.1活性炭制備最佳工藝條件
2.1.1炭化溫度
稱取0.5 g不同炭化溫度下的炭素于100 mL磨 口錐形瓶中,加入100 mL印染廢水,在振蕩器上于120 r/min、25℃下振蕩30 min,過濾,測其吸光度值.結(jié)果如 圖1所示.
由圖1可知,炭化溫度從400℃升高至800℃,脫 色率逐漸增大,其原因是在炭化過程中,花生殼中的 纖維素和木質(zhì)素分解,產(chǎn)生脫水、脫酸等反應(yīng),并形成 芳核間的結(jié)合,隨后脫氫,大量芳核直接結(jié)合,形成二 維平面結(jié)構(gòu),同時結(jié)合上—CH2—,形成三維立體結(jié)構(gòu), 形成了發(fā)達(dá)的孔隙,使炭化后的花生殼炭素具有吸附 性.炭化溫度再繼續(xù)升高到900℃,其脫色率反而下降 了,原因是溫度過高,使花生殼中的纖維素碳化結(jié)節(jié), 阻礙了孔隙的形成.[6]故炭化溫度選擇800℃.
2.1.2炭化時間
稱取0.5 g在800℃炭化不同時間的炭素于100 mL磨口錐形瓶中,加入100 mL印染廢水,在振蕩器 上于120 r/min、25℃下振蕩30 min后,測定產(chǎn)品的吸 附性能,結(jié)果如圖2所示.
由圖2可知,炭化時間從30 min延長至150 min, 所得產(chǎn)品對印染廢水的脫色率逐漸增加,當(dāng)超過150 min后,脫色率隨著炭化時間的增加而減小,脫色率在 150 min處達(dá)到最大,此時,花生殼中的大部分非炭成 分和碳水化合物已經(jīng)去除,形成了一定數(shù)量的微孔結(jié) 構(gòu).故炭化時間選擇150 min.
2.1.3活化方法
從炭化后的花生殼炭素脫色率可以看出,未經(jīng)過 任何處理的花生殼炭素的脫色率很低,原因是花生殼炭素還沒有形成發(fā)達(dá)的細(xì)孔結(jié)構(gòu),部分細(xì)孔堵塞.為了 提高花生殼炭素的吸附能力,必須對它進行活化處理. 活化劑(H2SO4)的稀釋比、活化溫度、活化時間、固液比 是影響花生殼炭素活化的主要因素.本文采用正交實 驗L9(34)進行條件優(yōu)化,結(jié)果見表1
.
從表1可知,影響花生殼活性炭吸附能力的4個 因素中主次比較為:活化劑稀釋比>活化時間>溫度> 固液比.從結(jié)果可以看出,最佳條件為:A3B2C1D2.
2.2活性炭吸附處理印染廢水的條件優(yōu)化
2.2.1 pH值
在100 mL印染廢水中,加入活性炭0.2 g,在振蕩 器上于120 r/min、25℃下振蕩30 min,pH值對印染廢 水脫色率的影響如圖3所示.
br /> 由圖3可知,pH值在1~5時,印染廢水的脫色率 變化不大,從處理成本考慮,選擇印染廢水自身的pH 比較合理,因此,選擇pH值為5.
2.2.2振蕩速率
在100 mL印染廢水中,加入活性炭0.2 g,調(diào)節(jié)pH 值為5,溫度為25℃,在振蕩器上以不同速率振蕩30 min,振蕩速率對印染廢水脫色率的影響如圖4所示. 47.5
由圖4可知,隨著振蕩速率的增加,脫色率逐漸 增大,到160 r/min時達(dá)到最大值,以后逐漸降低,原因 是振蕩速率過大,有色物質(zhì)就會解析出來,因此,選擇 振蕩速率為160 r/min.
2.2.3吸附時間
在100 mL印染廢水中,加入活性炭0.2 g,調(diào)節(jié)pH 值為5,溫度25℃,在振蕩器上以160 r/min振蕩不同 時間,吸附時間對印染廢水脫色率的影響如圖5所示.
由圖5可知,延長吸附時間,印染廢水的脫色率 隨之增大,當(dāng)吸附時間達(dá)到120 min時,脫色率最高, 繼續(xù)延長吸附時間,脫色率逐漸降低.說明在120 min 時吸附已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài).故選用吸附時間為120 min.
2.2.4活性炭用量
取6份印染廢水,每份各100 mL,加入不同量花 生殼活性炭,調(diào)節(jié)pH值為5,溫度為25℃,在振蕩器 上以160 r/min振蕩吸附120 min,活性炭用量對廢水 脫色率的影響如圖6所示.花生殼活性炭的用量對印 染廢水的脫色率有很大影響.隨著花生殼活性炭用量 的增加,脫色率也不斷增加,但用量超過1.5 g后,對脫 色率的影響已經(jīng)不明顯,說明當(dāng)花生殼活性炭的用量 為1.5 g時,吸附就基本達(dá)到飽和狀態(tài),即花生殼活性 炭用量為15 g/L(1.5 g/100 mL)比較適宜,此時印染廢 水的脫色率達(dá)96.7%.
3結(jié)論
(1)采用硫酸活化法制備花生殼活性炭的最佳工 藝條件:炭化溫度為800℃、炭化時間為150 min、活 化劑硫酸的稀釋比為1∶1、固液比為1∶2、活化時間為 90 min、活化溫度為60℃,此條件下制備的活性炭對 印染廢水的吸附效果較好.
(2)花生殼活性炭吸附處理印染廢水的最佳工藝條件:吸附劑用量為15 g/L、吸附時間為120 min、振蕩 速率為160 r/min、廢水的pH值為5、溫度為25℃,對 印染廢水的脫色率為96.7%.
(3)用固體廢棄物花生殼制備活性炭,實現(xiàn)了對花 生殼的資源化利用,為制備活性炭的原料來源開辟新 途徑,達(dá)到“以廢治廢,循環(huán)經(jīng)濟”的目的.
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