活性炭固定床吸附硝基苯废水性能研究

陈天崖 张世豪 王亚茹 邵蕾 王仕鑫 刘剑飞

摘要：利用活性炭固定床吸附硝基苯废水溶液，分析了活性炭填充量、硝基苯废水浓度和流量等因素对吸附效果的影响。结果表明，流量越低、活性炭用量越多、硝基苯废水浓度越低，越有利于吸附溶液中的硝基苯。利用Bed Depth Service Time（BDST）、Tomas、Admas-Bohart和Yoon-Nelson模型对硝基苯废水进行了吸附模拟，效果均较好。

关键词：活性炭固定床;硝基苯;吸附

中图分类号：X52         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）08-0071-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.08.016           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： The adsorption behavior of nitrobenzene wastewater solutions with fixed activated carbon bed was studied. The effect of various parameters like bed depths， concentration and flow rates of nitrobenzene wastewater were investigated. The results showed that the lower flow rate， more activated carbon amount and lower nitrobenzene concentration would benefit the adsorption effect. The adsorption data also fitted Bed Depth Service Time（BDST）、Tomas， Admas-Bohart and Yoon-Nelson models well.

Key words： activated carbon fixed bed; nitrobenzene; adsorption

硝基苯是芳香族化合物的一種，广泛用于染料、药物、有机溶剂的生产。硝基苯具有三致作用、难降解性和环境积累趋势[1]。硝基苯进入水体会长期影响水质感官性状，给地面水自净过程造成困难，并可通过呼吸道及皮肤侵入人体，引起神经系统、血液系统和肝脾的病变，危害人体健康。生态环境部已将其列入优先控制污染物名单，并对其排放有严格的标准[2-4]。

目前硝基苯废水处理方法主要有化学氧化法、生物降解法和物理法[5]，这些方法存在限制条件多、吸附不完全、能耗大、成本高等问题[6]，对其处理采用较多的方法是吸附法，较多的吸附剂是活性炭，也有一些研究利用海底沉积物、沸石分子筛、松花江沉积物、蒙脱石作为吸附剂，均取得了较好的效果[7-9]。

选取活性炭作为吸附剂，其表面的官能团使其具备表面化学特性，赋予了化学吸附性能[10，11]，利用活性炭固定床吸附硝基苯废水溶液，分析了活性炭填充量、硝基苯废水浓度和流量等因素对吸附效果的影响，并采用Bed Depth Service Time（BDST）、Tomas、Admas-Bohart和Yoon-Nelson模型模拟了硝基苯废水吸附数据。

1  试验部分

1.1  试剂与原料

活性炭购于中国西陇化工股份有限公司，比表面积718.2 m2，孔体积0.845 cm3/g，孔径分布0.2～2.0 nm，平均孔径0.845 nm，微孔体积0.397 cm3/g，中孔体积0.206 cm3/g，大孔体积0.242 cm3/g。

硝基苯（C5H6NO2）购于天津市科密欧化学试剂有限公司，分析纯。

1.2  试验装置与方法

试验装置示意见图1。固定床有机玻璃柱高20 cm，内径1.0 cm。固定床出水直接流入储槽中。配制5 L硝基苯溶液于广口玻璃瓶中，控制流量、活性炭填充量、硝基苯废水浓度等条件，按照设定的流量调节出水，待出水水流稳定后开始计时，每隔15 min取样。

1.3  分析方法

取样静置后，用玻璃注射器摄取溶液，通过UV-1100型可见分光光度计（上海美析仪器有限公司）测得试样对应的吸光度（λ=268 nm），通过事先试验测得的硝基苯浓度标准曲线计算出每个试样所对应的硝基苯浓度，从而得到其吸附量及平衡浓度。

2  结果与分析

2.1  穿透曲线的影响因素

2.1.1  流量  活性炭填充量为2.5 g、初始硝基苯废水浓度为165 mg/L时，不同流量（10、20、30 mL/min）对穿透曲线的影响见图2，t为吸附时间（min）;C0和Ct分别为吸附质在初始和t时刻时的质量浓度（mg/L）。

由图2可见，流量越低，硝基苯废水的穿透曲线的斜率越大，其穿透时间（Ct/C0=0.9）越短，因为流量越低，水力停留时间越长，溶液有更长的时间与活性炭接触;对应于流量10、20和30 mL/min，硝基苯废水的穿透时间分别为306、369和623 min。可见，流量越低，越有利于活性炭发挥吸附效能。

2.1.2  活性炭填充量  在流量20 mL/min、初始硝基苯废液浓度为165 mg/L的条件下，活性炭填充量对穿透曲线的影响见图3，t为吸附时间（min）;C0和Ct为吸附质在初始和t时刻时的质量浓度（mg/L）。由图3可知，随着活性炭填充量的增加，硝基苯废水的穿透时间延长。此外随着填充物的增加，活性炭柱的高度增高，活性炭的吸附面积增大，使得硝基苯废水的吸附饱和时间缩短。

2.1.3  硝基苯废水浓度  在流量为20 mL/min、活性炭填充量为2.5 g的条件下，硝基苯废水的浓度对穿透曲线的影响见图4，t为吸附时间（min）;C0和Ct分别为吸附质在初始和t时刻时的质量浓度（mg/L）。由图4可知，初始硝基苯废水的浓度越大其穿透时间越短，初始硝基苯废水浓度分别为130、165和200 mg/L时的穿透时间分别为315、359和436 min。废水浓度高所对应的吸附跨度高，时间增加，因此当硝基苯废水浓度为130 mg/L时，其吸附时间最短。

2.2  模型拟合

2.2.1  Tomas模型  Tomas模型假设溶液呈活塞流形态，吸附符合Langmuir模型和二级反应动力学，且表面扩散是个无限的扩散过程，是在固定床吸附中使用极为广泛的一种模型[12]。该模型的线性表达式为：

式中，KTh為Tomas模型常数，mL/（mg·min）; qe为平衡吸附量，mg/g;m为活性炭填充量，g;Q为硝基苯废水的流量，mL/min。

Tomas模型的拟合结果见表1，该模型对于硝基苯废水的模拟效果较好。高活性炭填充量、低流量和低浓度时KTh较高，说明高活性炭填充量、低流量和适中浓度时的单位吸附能力提高。这可能是由于吸附过程是由浓度差驱动的，即表面扩散的推动力是浓度梯度，而细孔作用力与物理吸附较弱。通过吸附模型分析可以看出，随着活性炭填充量的减小，平衡吸附量提高，这是因为对于相同的溶液，少量的活性炭有更多的吸附机会，从而提高了单位吸附量;随着流量的降低，吸附时间延长，从而增加了吸附量;硝基苯废水的吸附量在最低浓度时吸附效果最好，这是因为硝基苯废水浓度高则其所需要的吸附容量增加，时间增加。

2.2.2  BDST模型  BDST模型是一种简化的关于吸附柱高度和穿透时间之间的关系，假设吸附是受吸附质和吸附剂的表面反应所控制[13]，其表达式为：

式中，N0为固定床吸附容量，mg/L;Z为活性炭高度，cm;U为吸附质下降速率，cm/min;Ka为吸附速率系数，L/（mg·min）。

由式（2）可以看出，在一定的初始浓度和流量以及一定的穿透浓度条件下，固定床的床高和穿透时间呈线性关系。BDST模型可以在较少次数试验的基础上得到吸附床的吸附容量和吸附速率常数，同时在已知流速和初始浓度的条件下对一定范围内的不同流速和初始浓度下装置达到的饱和程度进行预测，结果较准确。根据吸附过程中的对应参数关系，利用BDST模型来描述柱高、时间、过程浓度和吸附参数[14]。由表2可以得出，流量越低、活性炭填充量越高、硝基苯废水浓度越低，越有利于发挥活性炭的吸附效能。

2.2.3  Admas-Bohart模型  Admas-Bohart模型假设吸附率是吸附剂剩余容量和吸附剂浓度的比例，它用于描述穿透曲线的初始部分[15]，其表达式为：

式中，N0为固定床吸附容量，mg/L;Z为活性炭高度，cm;F为吸附质下降速率，cm/min;KAB为Admas-Bohart模型常数，L/（mg·min）。

根据式（3），可以用非线性回归方法从一个给定的床高和流速的曲线上确定柱的活性炭特征操作参数的值。在Admas-Bohart模型中计算得到的动力常数KAB随着初始浓度的降低，逐渐增大，得到对应的床层体积吸附容量在流量越低、活性炭填充量越高、硝基苯废水浓度越低的条件下最大，这表明在该条件下的床层吸附效果最好，由于在数据拟合过程中得到的相关系数较低，因此该模型对此过程的应用有一定的限制[16]。Admas-Bohart模型假设吸附平衡不是瞬间能够达到的，从表3可以看出，长柱高、低浓度和低流速可以加快吸附速度，传质系数增大，这说明吸附过程硝基苯的吸附主要取决于其在活性炭表面液膜中的移动速度。

2.2.4  Yoon-Nelson模型  Yoon-Nelson模型假设每个吸附分子吸附概率的下降速率是吸附剂吸附概率和吸附剂上吸附物突破的概率，此模型不仅复杂程度低，而且不需要关于吸附剂的性质、吸附剂的类型和吸附床的物理性质的详细数据[17]。单系统的Yoon-Nelson模型方程可表示为：

式中，KYN为Yoon-Nelson模型速率常数，L/min;G为吸附50%所需的时间，min。

根据式（4），可以用非线性回归方法从曲线上确定KYN和G的参数值。由表4可以得出，流量越低、活性炭填充量越高、硝基苯废水浓度越低，吸附50%硝基苯所需的时间越短。固定床吸附中有相同的规律，即最大吸附量随着活性炭用量的增加而减少，这是因为对于相同的溶液，少量的活性炭有更多的吸附机会，从而提高了单位吸附量;随着过滤时间的增加而减少，这是因为低滤速提供了更多的吸附时间，从而提高了单位吸附量。

3  小结

结果表明，流量越低、活性炭填充量越高、硝基苯废水浓度越低，越有利于吸附溶液中的硝基苯。采用BDST、Tomas、Admas-Bohart和Yoon-Nelson模型对硝基苯废水进行了吸附模拟，效果均较好。

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收稿日期：2018-09-14

作者简介：陈天崖（1998-），男，河南商丘人，在读本科生，（电话）13837016390（电子信箱）1476805722@qq.com。