废旧轮胎橡胶颗粒与黏土对苯酚吸附性能

2015-01-18阮晓晨胡晓瑾

湖北工业大学学报 2015年5期

李勇，何俊，阮晓晨，胡晓瑾

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068）

焚烧法、堆肥法和卫生填埋法等垃圾处置方法中，卫生填埋法因成本低、处理量大等优点而被广泛使用。卫生填埋法关键是解决垃圾填埋场的密封性和防渗漏问题［1］，以防止有害物质泄漏。渗滤液中有害物质可分为有机污染物和无机重金属污染物，有机污染物有以苯酚为代表的酚类，苯胺为代表的胺类，脂类，酮类，蒽类等，重金属有Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg等［2］。选择合理填埋衬层是解决上述两问题的重要途径。目前国内多数垃圾填埋场均选用天然黏土作为填埋衬层。已有研究成果表明:天然黏土虽然具有比较大的比表面积，良好的吸附性能，但其对有机污染物吸附能力不足［3］。而废旧轮胎胶粒对苯酚具有较好的吸附性能，在室温反应时间为6d时苯酚去除率可以最高达83%［4］。因此，寻找一种材料改性天然黏土弥补对有机物吸附能力的不足，已经成为环境岩土工程工作者们研究的热点之一。

本文以渗滤液中有机污染物的典型代表—苯酚为研究对象，选取了废旧轮胎胶粒和黏土为吸附剂，通过吸附试验研究其对苯酚的吸附性能，为胶粒改性黏土在填埋衬垫层中的应用提供依据。

1 主要试验仪器与试剂材料

主要试验仪器:

1）上海光谱721E型可见分光光度计；

2）国华SHZ-82型恒温振荡器；

3）德国EppendorfAG22331型离心机；

4）容量瓶（1000mL、250mL、100mL）；

5）比色管若干（25mL）；

6）锥形瓶若干（50mL）；

7）移液枪2支（5mL、1mL）；

8）化学试剂:苯酚（AR），4-氨基安替比林（AR），铁氰化钾（AR），氯化铵，氨水等。

吸附材料:辽宁产颗粒状钠基膨润土，比重为2.75，风干含水率16%，蒙脱石含量为85%～90%；产自山东的325目S180型水洗高岭土，其中SiO2和Ai2O3含量分别为46.36%和40.0%，风干含水率约为1.5% ；购自南京某公司废弃轮胎橡胶粒，胶粒比重为1.2，风干含水率为0。

2 试验原理及方法

本试验依据中华人民共和国国家环境保护标准（HJ503-2009）［7］，4-氨基安替比林直接分光光度法定量分析在510nm处测定不同质量浓度苯酚的标准样品的吸光值，并绘制标准曲线。再在相同的条件下测定溶液中苯酚的吸光度值，根据标准曲线可得出溶液中苯酚的质量浓度。

准确称取苯酚0.5g溶于100mL去离子水中，溶解后定量转移到500mL的容量瓶中定容至刻度线，摇匀，配制成1mg/mL酚储备液，于4℃低温保存。试验当天用苯酚储备液配制250μg/mL苯酚标准中间液。

依次称量烘干钠基膨润土（0.5mm），烘干高岭土325目，30目（0.3mm）橡胶颗粒各0.5g分别加入到有编号的锥形瓶中，用移液枪分别加入0、1 mL、2mL、3mL、4mL、8mL、16mL的250μg/mL苯酚标准中间液，用去离子水定容至刻度25mL，摇匀。加塞密封后恒温振荡器（20±1）℃上振荡90 min，静置24h后取上清液至离心管离心（8000r/min的转速下离心30min），再用0.2μm微孔滤膜进行抽滤，用紫外分光光度计测定水相中苯酚的吸光度。

为了确保试验结果的可靠性，所有吸附试验都进行了2组平行试验求取平均值，并且进行了空白样试验测试苯酚的初始质量浓度。吸附材料对苯酚的吸附量qe和去除效率R可表示为

式中，Co，Ce分别为苯酚的初始质量浓度与平衡质量浓度，mg/L；V为溶液的体积，L；m为吸附剂的质量，g。

3 试验结果及分析

3.1 静置时间对吸附量的影响

选取苯酚初始质量浓度为20mg/L，震荡后，将液固体试验装置静置3h、6h、12h、24h、48h后分别取样测得水相中苯酚平衡质量浓度，通过式（1）计算出对应的吸附量，从而建立吸附量与静置时间关系（图1）。由图1可知，在静置时间达到12h前，即吸附初期，吸附量随着时间增大而显著增大，在12 h后吸附量增速变慢。静置时间相同情况下，橡胶颗粒对苯酚的吸附量高于高岭土和膨润土对苯酚的吸附量，说明橡胶颗粒对苯酚的去除性能优于高岭土和膨润土。

图1 吸附量与静置时间关系图

3.2 苯酚质量浓度对去除率的影响

不同初始质量浓度的苯酚经过24h静置反应后的去除率见表1。

表1 苯酚不同初始质量浓度反应后去除率

根据表1可绘出苯酚去除率与初始质量浓度关系（图2）。

图2 去除率与初始质量浓度关系

从表1中可以看出，在苯酚初始质量浓度为10 mg/L时，橡胶颗粒对苯酚的去除率高达86.66%，高于膨润土对苯酚的去除率（82.44%），明显大于高岭土对苯酚的去除率（74.02%）；当苯酚初始质量浓度为20mg/L时，橡胶颗粒对苯酚的去除率降低到62.43%，而膨润土和高岭土对苯酚的去除率分别为55.41%，52.6%。在苯酚初始质量浓度大于20 mg/L时，苯酚质量浓度相同情况下，三种吸附剂对苯酚的去除率无明显差异。这表明，在低质量浓度时，对苯酚的去除，橡胶颗粒比膨润土和高岭土表现出明显的优势，随着质量浓度提高，橡胶颗粒对苯酚的去除优势逐渐减小。

由图2可以看出，伴随苯酚初始质量浓度的增大，去除率与初始质量浓度关系曲线总体呈现出下降的趋势，说明质量浓度对苯酚的去除有显著影响。已有研究成果显示城市生活垃圾填埋场渗滤液中有机污染物中苯酚相对含量为 1.187%［6］，5.503%［7］，换算成质量浓度则分别10.9mg/L，17.7 mg/L，在本文试验的低密度范围内。这表明，橡胶颗粒改性黏土在城市垃圾填埋场衬垫层中应用是有效可行的。

3.3 平衡质量浓度对吸附量的影响

图3为吸附量随平衡质量浓度变化的曲线图，即吸附等温线。

图3 吸附等温线

由图3可以看出:

1）在同一平衡质量浓度时，当平衡质量浓度低于20mg/L，试验所用两种黏土与30目橡胶颗粒对苯酚的吸附量相比，明显较小，橡胶颗粒对苯酚具有更好的吸附性，当平衡质量浓度介于20～50mg/L，三种吸附剂对苯酚的吸附量大致相当。当平衡质量浓度大于50mg/L，膨润土与已有文献［4］中橡胶颗粒对苯酚的吸附等温线中数值十分接近。说明在低平衡质量浓度时，橡胶颗粒对苯酚的吸附优于黏土对苯酚的吸附，高平衡质量浓度时，橡胶颗粒与黏土的差异并不大。

2）随着苯酚平衡质量浓度的增大，斜率减小，曲线趋于平缓，说明单位质量吸附剂对苯酚的吸附量虽然也在增大，但这种增大量逐渐减缓，最终会趋于平衡；平衡质量浓度对吸附量的影响在减弱。吸附剂对低平衡质量浓度苯酚有较好的去除性能。

3.4 苯酚吸附等温线

实际应用中，常用Freundlich和Langmuir等温式［8］描述有机物的吸附平衡。

Freundlich等温线方程式:其中:Cs为土对有机物的吸附量，μg/g；Ceq为吸附平衡时液相中有机物的质量浓度，μg/mL；Kf为吸附系数，1/n表示吸附的非线性程度。

Langmuir单分子层吸附等温线方程式

其中:Ceq为吸附平衡时液相中有机物的平衡质量浓度，Cs为土对有机物的吸附量，B为最大吸附量，K为系数。

根据试验结果，绘制吸附等温线。

由公式（3）可得

以lgCeq为横坐标，以lgCs为纵坐标作图，以线性回归，可得直线，如图4，截距为lgKf，斜率为1/n。

根据公式（4），以Ceq为横坐标，以Ceq/Cs为纵坐标绘图，再用线性回归，可得直线，如图5，由截距和斜率即可求得K和B。

图4 Freundlich吸附等温线

图5 Langmuir吸附等温线

表2 不同等温式计算出的苯酚吸附常数和相关系数

由表2可以看出，通过对实验数据进行Langmuir等温式和Freundlich等温式拟合，膨润土，高岭土，橡胶颗粒三种吸附剂对苯酚的吸附行为均符合Langmuir和Freundlich等温式。然而，就橡胶颗粒而言，Freundlich等温式计算出的相关系数R为0.978，略好于Langmuir等温式的相关系数R值0.973，说明Freundlich等温式更适合描述苯酚在橡胶中的吸附行为。

两种黏土，膨润土和高岭土的Langmuir相关系数R都大于0.98，达显著相关水平。由于膨润土和高岭土Langmuir相关系数R在0.98以上，均大于其Freundlich相关系数R，因此Langmuir等温式能更好的描述膨润土和高岭土对苯酚的吸附行为。

Fre-undlich等温吸附特征常数1/n大致都介于0.1～0.5范围内，表明三种吸附剂对苯酚有良好的吸附性能［6］。