粘胶基活性炭纤维净化酸性染液废水研究

2012-12-20王文均申国栋

中原工学院学报 2012年6期

王文均，申国栋

（西安工程大学，西安710048）

活性炭纤维（Activated Carbon Fiber，ACF）是20世纪70年代发展起来的一种性能优于粉末活性炭和颗粒活性炭的新型吸附材料［1］.由于其孔径分布窄、微孔丰富、比表面积大［2］、表面化学性质独特和吸附速度快等特点［3］，而得到了迅速发展，被广泛应用于废气处理［4］、水处理［5］等领域.目前，ACF 已广泛应用于环保、化工、制药、军事、卫生防护及食品加工等多个行业，并在饮用水净化［6］、汽车尾气治理、防毒器具、医疗防护、空气净化［7－8］、香烟滤嘴［9］等方面具有十分广阔的应用前景［10－11］.根据原料的不同，常见的活性炭纤维有粘胶基活性炭纤维、聚丙烯腈基活性炭纤维、沥青基活性炭纤维和酚醛基活性炭纤维.与其他活性炭纤维相比，粘胶基活性炭纤维因比表面积大、热稳定性好、化学性质稳定、生物相容性好而成为目前应用最广的活性炭纤维.本文选用粘胶基活性炭纤维净化真丝绸染色用弱酸性艳蓝A模拟染液废水，研究了ACF投加量、光照、染液废水pH等对试验结果的影响，并对ACF的重复使用情况进行了研究，为处理印染废水提供一定的理论依据.

1 试验

1.1 试验材料

粘胶基活性炭纤维（YT－1600型，江苏南通永通环保科技有限公司），真丝绸织物，分析纯弱酸性艳蓝A染料、氢氧化钠、冰醋酸、氯化钠、六偏磷酸钠、硝酸、乙醇.

1.2 试验仪器

GHX－V型光化学反应仪（上海比朗仪器有限公司）、PHS－3C型精密酸度计（上海大普仪器有限公司）、Y820型八篮恒温烘箱、HZK型分析天平（感量0.000 1g）、2800UV／VIS型紫外－可见分光光度计（上海尤尼柯仪器有限公司）、SHB－3型循环水多用真空泵（郑州杜甫仪器厂）.

1.3 试验方法

1.3.1 粘胶基活性炭纤维的预处理

由于在生产和运输过程中粘胶基活性炭纤维（ACF）表面往往含有大量杂质，为确保试验结果的准确性，需要对ACF进行预处理.取适量的ACF置于浓度为5%的硝酸中浸泡3h，然后用去离子水洗净至中性，取出后在110℃的恒温干燥箱中烘干3h，取出后置于干燥器中备用.

1.3.2 模拟染液废水的配置

取一定量真丝绸织物，按其质量的2%量取弱酸性艳蓝A染料置于烧杯中，按浴比1∶30向烧杯中加入蒸馏水及助剂（六偏磷酸钠1g／L、氯化钠0.5g／L、冰醋酸5mL／L），用稀硝酸和氢氧化钠将溶液pH值调至4～6.始染温度为80℃，染色温度为95℃，染色时间为1h.染色完成后将剩余染液置于密封容器中备用.

1.3.3 最大吸光波长的测定

采用2800UV／VIS型紫外－可见分光光度计在450～900nm范围内测量染液吸光光度值.比色皿厚度为1cm，参比液为蒸馏水，测出模拟染液废水的最大吸光波长为640nm.

1.3.4 标准曲线的绘制

分别配置浓度为2mg／L、3mg／L、5mg／L、10mg／L、15mg／L、20mg／L、30mg／L、40mg／L的弱酸性艳蓝A染液，在最大吸光波长640nm处测其吸光光度值.以模拟染液浓度为横坐标，以吸光光度值为纵坐标，所得曲线（模拟染液废水标准曲线）如图1所示.

图1 模拟染液废水标准曲线

由图1可知，在一定范围内染液浓度（用C表示）和吸光度（用A表示）具有良好的线性关系.利用最小二乘法，对图1进行整理得出标准曲线公式为

所以在ACF净化模拟染液废水的过程中，可以通过测出模拟染液废水的吸光光度值来确定其浓度.根据公式（1）计算出自制的真丝绸染色用模拟染液废水的浓度为40mg／L.

1.3.5 降解试验

取5支试管各加入100mL模拟染液废水，分别向5支试管中加入0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g的ACF.每隔30min测量模拟染液废水的吸光光度值，分别在无光照和可见光条件下进行降解试验.探究不同ACF投加量、不同光源、不同pH值对模拟染液废水的降解效果以及ACF的重复使用效果.

1.3.6 降解效果评定

根据Lambert－Beer定律，染液的浓度和吸光光度值成正比关系，因此可利用公式计算ACF对模拟染液废水的净化率.其中，A0为净化前染液吸光光度值；A为净化后染液吸光光度值.

2 试验结果讨论

2.1 无光照条件下ACF投加量对净化率的影响

按照上述方法，在无光照条件下对弱酸性艳蓝A模拟染液废水进行降解试验，降解时间为8h，每隔30min测其吸光光度值并计算净化率，绘制不同ACF投加量的净化率－时间曲线，如图2所示.

图2 无光照条件下不同ACF投加量的净化率－时间曲线

由图2可知，5组染液的净化率在前30min迅速提高；30min之后，随着反应的继续进行，ACF投加量为0.1g、0.2g、0.3g的染液的净化率趋于稳定，而投加量为0.4g和0.5g的染液的净化率仍在提高，只是提高的幅度逐渐变缓；投加量为0.1g的染液在300min时净化率下降，这是因为ACF吸附的物质因分子运动而离开ACF表面，重新进入染液中，即发生解析现象，此后净化率又有上升趋势，则是由吸附作用所致，表明ACF的吸附和脱附是个动态平衡的过程；随着ACF投加量的增加，曲线变化趋于稳定；投入0.5g ACF的染液净化率明显高于其他试验组的净化率，3h后净化率可达45.08%，8h后可达57%.

2.2 可见光条件下ACF投加量对净化率的影响

在可见光照射条件下重复上述试验步骤，探究光源对ACF净化模拟染液废水的影响.绘制不同ACF投加量的净化率－时间曲线，如图3所示.

图3 可见光条件下不同ACF投加量的净化率－时间曲线

由图3可知，5组染液在前30min的净化率都迅速提高；在相同的净化时间内，随着ACF投加量的增加，染液净化率也在提高；由于ACF的吸附和脱附作用，投加量为0.1g和0.2g的染液的净化率的变化不稳定，其他3组染液随着时间的延长，净化率都在不断提高，且随投加量的增加，净化率增高趋势越明显.ACF投加量为0.5g时，3h后净化率可达51.57%，8h后可达73.46%，效果优于无光照条件下的净化率，说明光照对ACF净化模拟染液废水具有一定的促进作用.

2.3 pH对净化率的影响

分别配置pH 值为2、4、6、8、10、12的模拟染液废水，各取100ml置于试管中，各加入0.5g的ACF，在可见光下照射8h，间隔30min测其吸光光度值，绘制出不同pH值下的净化率－时间曲线，如图4所示.

图4 不同pH值下的净化率－时间曲线

由图4可知，前30min染液的净化率迅速提高，相同时间内染液的pH值越小，净化率越高；同一pH值下，随时间的延长，净化率不断提高；净化时间为7.5～8h时，pH值为2的染液的净化率可达95%～96%，净化较彻底.pH对ACF吸附染料的影响不能一概而论（与染料废水本身的组成与性质也有关）［6］，但总体说来，pH对ACF净化染料废水具有一定的影响.对于本试验所用的弱酸性艳蓝A染液，pH值为2时，净化效果最好.

2.4 ACF的重复使用对净化率的影响

量取100ml浓度为40mg／L的模拟染液废水，将0.5g已进行过净化试验的ACF先用去离子水洗涤10min，然后用浓度为5%的乙醇溶液洗涤10min，最后在烘箱中110℃下烘干3h，取出后在可见光照射下继续进行降解试验.重复此操作3次，每30min测其吸光光度值，按照公式（2）计算其净化率，绘制曲线，如图5所示.