木炭对垃圾渗沥液中COD的吸附性能研究*

李广科，宋胶胶，栗　　赟，王一平，王聪颖

（山西大学环境与资源学院，山西　　太原　030006）

木炭对垃圾渗沥液中COD的吸附性能研究*

李广科，宋胶胶，栗赟，王一平，王聪颖

（山西大学环境与资源学院，山西太原030006）

研究了木炭对垃圾渗沥液中COD的吸附过程，同时应用吸附动力学模型pseudo-first order和pseudosecond order及吸附等温模型Langmuir和Frundlich对吸附数据进行拟合。结果表明，吸附36 h后吸附过程趋于平衡，渗沥液中COD的初始浓度为414、1 164、2 179 mg/L时，COD的去除率分别为89.79%、84.03%、65.91%，单位吸附量分别为9.28、24.45、27.87 mg/g。木炭对COD的吸附符合pseudo-second order动力学模型及Langmuir吸附等温模型，液膜扩散和化学吸附反应是影响吸附速率的主要步骤。生物质炭对渗沥液中COD有较好的去除效果。

木炭；垃圾渗沥液；吸附动力学；吸附等温线

目前，常用活性炭作为吸附剂处理废水［1-2］，但活性炭活化过程中会产生大量废渣、废气、废水，造成二次污染。生物质炭是活性炭活化之前的产物，是由植物生物质在完全或部分缺氧的条件下，经热解炭化产生的一类高度芳香化的难溶性固态物质，属于广义概念上黑炭的一种。生物质炭具有较大的比表面积，表面含有较多的含氧活性基团［3］，其制备的原料成本低且较为广泛，常见的生物质原料有农业废弃物、木屑、活性污泥等［4］，被认为是环境领域内具有广阔应用前景的一种材料［5-6］。此外，在废水处理方面也有较好的吸附效果，徐仁扣等［7］发现生物质炭可作为一种高效吸附剂吸附废水中甲基蓝；杨柳燕等［8］将生物质炭固定化改性后发现，生物质炭能有效吸附水体硝态氮；李恋卿等［9］发现生物质炭可望作为去除水体多环芳烃污染的新型吸附材料；陈宝梁等［10］用生物质炭吸附水中有机物，发现生物质炭具有较大的吸附能力和吸附容量。鉴于此，本实验用木炭代表生物质炭，研究了其对渗沥液中COD的吸附性能，以期为生物质炭在水污染控制方面的应用提供理论依据。

1　　材料与方法

1.1实验材料和仪器

实验所用木炭购自成都全然备长炭有限公司其目数为40～60目。所用垃圾渗沥液采自太原市某垃圾填埋场。

恒温摇床（ZHWY-211B，上海智城分析仪器制造有限公司）；循环水式多用真空泵（SHZ-C广州市予华仪器有限公司）；精密pH计（PHS-3C上海仪电科学仪器股份有限公司）。

1.2吸附实验

将垃圾渗沥液用蒸馏水稀释不同比例。称取8g木炭于500 mL聚乙烯瓶中，加入100 mL蒸馏水浸润后，依次加入100 mL不同COD浓度的渗沥液，置于恒温振荡箱中振荡不同时间（120 r/min，（26±0.5）℃）后，过滤，采用重铬酸钾快速法［11］测定滤液中COD。

2　　结果与讨论

2.1平衡时间

图1为吸附时间对渗沥液中COD去除率及单位吸附量的影响，COD的初始浓度为414、1 164、

2 179 mg/L。可看出，吸附可大致分为3个阶段，即2 h以内的快速吸附阶段，2～12 h缓慢吸附阶段，

12～60 h趋于平衡阶段。吸附初期的0.5 h内，由于木炭表面的空吸附位较多，木炭对渗沥液中COD吸附速率很高，当吸附至2 h后，吸附逐渐缓慢，出现一个伪平衡，此时高、中、低3个浓度COD去除率分别为26.29%、40.31%、30.45%，单位吸附量分别为14.32、11.73、3.15 mg/g。当吸附12 h后发现，吸附仍然继续进行，且比2 h时去除率分别提高了7.86%、16.90%、31.59%，单位吸附量分别增加了 4.28、4.92、3.27 mg/g。在36～60 h时，吸附已基本平衡，COD最终的去除率分别为69.67%、88.99%、89.92%，对应的单位吸附量分别为29.46、25.89、9.30 mg/g。考虑到实际应用，本实验将吸附平衡时间确定为36 h，其对应的COD去除率分别为65.91%、84.03%、89.79%，单位吸附量分别为27.87、24.45、9.28 mg/g。

图1 吸附时间对不同初始COD浓度去除率及单位吸附量的影响

2.2吸附动力学

吸附过程一般可分为3个“串联”连续步骤，即液膜扩散阶段、颗粒内扩散阶段、化学吸附反应阶段，吸附的总体速率取决于其中最慢的阶段［12-13］。为研究木炭对渗沥液中COD的吸附动力学及吸附过程中主要影响步骤，分别采用伪一级动力学方程、伪二级动力学方程、液膜扩散方程、颗粒内扩散方程、化学吸附反应方程对实验所得数据进行拟合，拟合参数如表1所示，伪二级拟合结果如图2所示。

表1　　吸附动力学拟合参数

图2　　伪二级吸附动力学拟合结果

从表1可看出，伪一级动力学、伪二级动力学方程都可以用来拟合木炭对渗沥液中不同初始COD浓度的吸附动力学，而伪二级动力学方程能够更真实地反应木炭对渗沥液中COD的吸附机理。伪二级吸附速率参数k2表明，低浓度COD时的吸附速率0.027 g/（mg·h） 要高于高浓度的吸附速率 0.011 g/（mg·h），且不同初始COD浓度下的理论最大吸附量接近于实际最大吸附量，说明此时吸附已达到平衡。从表中还可看出，液膜扩散和化学吸附反应控制吸附的主要速率，随着渗沥液中COD浓度的降低，吸附反应逐渐占据主要步骤。

2.3吸附等温线

为进一步研究木炭对COD的吸附机理，分别将木炭与含有不同初始COD浓度的渗沥液混合吸附2、12、36 h，其吸附等温线如图3所示。分别用Langmuir、Frundlich 2种吸附等温模型对实验数据进行拟合，拟合参数见表2。从表2可看出，随着吸附时间的延长，木炭对COD的吸附逐渐倾向于Langmuir模型。对比Langmuir模型所得参数发现，随着吸附时间的延长，KL值为正数且逐渐增大，即木炭对COD的自发程度和相对吸附能力逐渐增强，不同时间段下木炭对COD的理论最大吸附量也逐渐增加，分别为 20.08、20.49、29.07 mg/g，接近于实际所得最大吸附量。在Freundlich方程中，一般认为n越大吸附性能越强，当n值在1～2时表示吸附易进行［14］。对比表中n值可知，由于吸附初期液膜扩散及后期化学吸附反应对吸附速率的影响，n（12 h）＞n（36 h）＞n（2 h）＞1.5，且每个时间段吸附都易进行。

图3 吸附等温线

表2　Langmuir和Freundlich模型的拟合结果

3　　结论

1） 研究吸附实验时，要充分延长吸附时间，本实验将木炭与渗沥液混合吸附60 h后发现，吸附在36 h时基本趋于平衡，此时2 179、1 164、414 mg/L初始COD浓度的渗沥液中COD去除率分别为65.91%、84.03%、89.79%，单位吸附量分别为27.87、24.45、9.28 mg/g。

2）木炭对COD的吸附符合伪二级吸附动力学吸附过程中液膜扩散和化学吸附反应控制吸附的整体速率，且随着渗沥液中初始COD浓度的降低，吸附速率加快，化学吸附反应逐渐成主要控制步骤。

3）进一步研究发现，不同时间段下，木炭对COD的吸附都极易进行，且吸附符合Langmuir模型，为单层化学吸附。随着吸附时间的延长Langmuir拟合度逐渐升高，木炭对COD的相对吸附能力逐渐增强。

［1］ Xu X C，Zhang H T，Dong Z Y，et al.Pretreatment of old-age landfill leachate by microwave-assisted catalytic oxidation in the presence of activated carbon［J］.Environ Technol，2013，34（20）2857-2862.

［2］ NurshazwaniBt.Azmia，MohammedJK Bashir，Sumathi Sethupathi et al.Stabilized landfill leachate treatment by sugarcane bagasse derived activated carbon for removal of color，COD and NH3-N Optimization of preparation conditions by RSM［J］.J Environ Chem Eng，2015，3（2）：1287-1294.

［3］ Raveendran K，Ganesh A，Khilar K C.Pyrolysis characteristics of biomass and biomass components［J］.Fuel，1996，75（8）：987-998.

［4］ Antal M J，Gronli M.The art，science，and technology of charcoal production［J］.Ind Eng Chem Res，2003，42（8）：1619-1640.

［5］ Zhang M，Gao B，Yao Y，et al.Synthesis of porous MgO-biochar nanocomposites for removal of phosphate and nitrate from aqueous solutions［J］.Chem Eng J，2010，210：26-32.

［6］ Woolf D，Amonette J E，Street-Perrott F A，et al.Sustainable biochar tomitigateglobalclimatechange［J］.NatCommun，2010（8）：1-56.

［7］ 徐仁扣，赵安珍，肖双成，等.农作物残体制备的生物质炭对水中亚甲基蓝的吸附作用［J］.环境科学，2012，33（1）：143-146.

［8］ 李丽，陈旭，吴丹，等.固定化改性生物质炭模拟吸附水体硝态氮潜力研究［J］.农业环境科学学报，2015，34（1）：137-143.

［9］ 孙璇，李恋卿，潘根兴，等.不同作物原料生物质炭对溶液芘的吸附特征［J］.农业环境科学学报，2014，33（8）：1637-1643.

［10］ 陈宝梁，周丹丹，朱利中，等.生物碳质吸附剂对水中有机污染物的吸附作用及机理［J］.中国科学：B辑，2008，38（6）：530-537.

［11］ 陈若暾，陈青萍.环境监测实验［M］.上海：同济大学出版社1993.

［12］ 王春峰，李健生，王连军，等.粉煤灰合成NaA型沸石对重金属离子的吸附动力学［J］.中国环境科学，2009，29（1）：36-41.

［13］ 北川浩，铃木谦一郎.吸附的基础与设计［M］.鹿政理，译.北京：化学工业出版社，1983.

［14］ Elmorsi T，Mohamed Z，Shopak W，et al.Kinetic and equilibrium isotherms studies of adsorption of Pb（II）from water onto natural adsorbent［J］.J Environ Protect，2014，5（17）：1667-1681.

COD Adsorption Characteristics of Landfill Leachate by Using Wood Charcoal

Li Guangke，Song Jiaojiao，Li Yun，Wang Yiping，Wang Congying
（College of Environmental Science and Resources，Shanxi University，TaiyuanShanxi030006）

The adsorption of COD in the landfill leachate by wood charcoal was investigated in this study.The adsorption processes were investigated by pseudo-first order and pseudo-second order as well as Langmuir and Frundlich.The results showed that，an adsorption equilibrium wasobtained at 36 h after operation.89.79%，84.03%，65.91%of the total COD in the landfill leachate were removed at the initial COD concentrations of 414，1 164，2 179 mg/L.The adsorption capacities were 9.28，24.45，27.87 mg/g respectively.The adsorption process of COD by wood charcoal was well described by Langmuir and pseudo-second-order models.Film diffusion and chemical adsorption reaction were the key factors influencing the absorption rates.The resultsshowed that wood charcoal waseffective to remove majority of the COD from landfill leachate.

wood charcoal；landfill leachate；adsorption kineticsmodel；adsorption isotherm

X703

A

1005-8206（2016）01-0011-03

李广科（1971—），博士学位，教授，主要从事固体废物处理、处置及资源化研究。

山西省回国留学人员科研项目（2012-009）；山西省科技攻关计划项目（20120313009-2）

2015-09-01