椰壳活性炭对含硫废水的吸附特性研究

2021-04-14罗冰彭同江孙红娟田嫚尹自豪

矿产保护与利用 2021年1期

罗冰，彭同江，孙红娟，田嫚，尹自豪

1.西南科技大学固体废物处理与资源化教育部重点试验室，四川绵阳 621010；

2.西南科技大学城市学院，四川绵阳 621000

引言

含硫废水来自于石油、制药、石化、制革、燃料、天然气等行业[1]。在我国工业废水排放中，其排放占据了很大部分。含硫废水含SO42-、H2S、HS-、S2-等多种物质，且硫酸盐能被硫酸盐还原菌还原成硫化氢，释放恶臭气体，严重危害了生态环境和人体健康[2]。因此，无论是从经济效益、人体健康、还是环境保护的角度出发，去寻求一种高效简单的去除水体中硫化物污染的方法显得十分重要。

目前，针对废水中的含硫化合物，其处理方法包括碱液吸收法、真空抽提法、气提法、酸化吸收法、生物法、吸附法、液膜法[3-9]。其中，活性炭由于存在稳定的吸附性质、高耐磨的强度、迅速的吸附速度、高空气净化度、使用寿命长等各种实用性能和优点而被广泛作为吸附剂应用于水体中各类污染物的去除。利用回收的废弃椰壳加工成CSCC吸附材料，可应用于环境保护、空气净化、脱色除味、溶剂回收、催化剂载体等诸多应用领域[10-12]，实现废弃物的资源化利用。刘玉德[13]以CSCC为催化剂载体，在最佳条件3：1液固比，65%磷酸质量浓度，2.5 h活化时间，600 ℃活化温度下，曝气处理模拟印染废水，水样脱色率分别达到99.96%。谭增强[14]利用化学浸渍法改性后的CSCC，在140 ℃～180 ℃成功脱汞。李成龙[15]利用CSCC吸附处理了漂白废水。邓志华[16]利用CSCC吸附了Cd2+、Zn2+、Pb2+和Cu2+等几种重金属离子。然而，CSCC吸附废水中含硫化合物的研究鲜有报道。

里伍铜尾矿富含磁黄铁矿，该尾矿经氧化焙烧后，SOx释放[17]，并利用碱溶液得以吸收，最终形成硫酸钠溶液，含硫废水由此产生。本文以椰壳活性炭为对象，采用静态吸附，通过改变吸附时间、温度、pH值、炭使用量等条件，测定CSCC吸附处理含硫废水的效果，得到最优吸附条件及CSCC对含硫废水的吸附动力学模型。本研究旨在为CSCC处理含硫废水的实际应用提供一定的参考依据。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

试验用药剂：CSCC(平顶山市绿之源活性炭有限公司)、硫酸钠(西珑化工有限公司)、邻菲罗啉(泰州市长涪化学有限公司)、硫酸亚铁铵(泰州市长涪化学有限公司)、氢氧化钠(上海化学试剂供应经销站)、三氯化铁(上海化学试剂供应经销站)、亚甲基蓝(西珑化工有限公司)、磷酸二氢钾(西珑化工有限公司)、重铬酸钾(西珑化工有限公司)、浓硫酸(98%)，所有试剂均为分析纯。

试验用仪器：电子天平(赛多利斯科学仪器有限公司)、循环水多用真空泵(上海科恒实业发展有限公司)、电子调温万用电炉(天津天泰仪器有限公司)、调温电热套(塞斯玻璃仪器有限公司)、pH计(仪电科学仪器有限公司)、智能型数控超声波清洗机(上海煜南仪器有限公司)、数显恒温多头磁力搅拌器(金坛区西城新瑞仪器)、可见分光光度计(上海菁华科学仪器有限公司)。

1.2 CSCC去除杂质

将颗粒状CSCC(约2.80 mm～3.35 mm)研磨，分别过30、60、100、160、200目筛，备用。先分3次加入500 mL蒸馏水，在超声清洗器中震荡0.5 h除去灰尘；后分3次加入浓度为2 mol/L的氢氧化钠，搅拌均匀，置于加热器上高温煮沸1.5 h，再用蒸馏水水清洗3遍直至CSCC粉末呈中性，烘干，装袋备用。

1.3 SO42-溶液的配制及其浓度测定

用硫酸钠和蒸馏水制备SO42-储备液，浓度约为0.005 mol/L。再用蒸馏水稀释储备液得到不同浓度的系列SO42-使用液。用对氨基-N,N-二乙基苯胺硫酸盐溶液分光光度法测定使用液中的SO42-浓度并得到SO42-浓度的标准曲线。

1.4 CSCC静态吸附试验

取20 mL废水加入定量的吸附剂，用硫酸调节pH，设置不同的吸附时间，在磁力搅拌器上搅拌1 h后过滤，取1 mL滤液于50 mL比色管中，用去离子水稀释至刻度线，在比色管内加入1 mL显色剂，摇晃均匀，置于干燥阴暗处20 min后测其吸光度，得到SO42-浓度。为保证试验结果的可靠性，所有试验设置1个空白和3个平行试验，3个平行试验结果的平均值作为最终值。

在吸附平衡时，CSCC对SO42-的吸附效率y：

(1)

式中，C0和Ct分别为SO42-使用液初始质量浓度和吸附平衡时的质量浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 CSCC的性质

CSCC的电镜扫描结果如图1所示。其表面有疏松的管状孔结构，且凹凸不平，有片状隆起，凸显了较大的比表面积和粗糙度，利于CSCC的吸附。CSCC在蒸馏水中浸泡3 h后，溶液pH为8.04，CEC为26.34 cmol·kg-1，比表面积为28.13 m2·g-1，平均孔径为50.82 nm。

图1 椰壳活性炭的电镜扫描图Fig. 1 SEM images of CSCC

2.2 CSCC粒径对吸附效率的影响

从图2可以看出，在活性炭用量为1 g、吸附时间为1 h时，随着活性炭颗粒的减小，活性炭吸附效率越高，活性炭颗粒从2.87增加到0.535 mm时吸附效率明显增高，从0.56%增加到80.03%；在0.535 mm到0.14 mm之间吸附效率变化上升明显开始变慢，0.221 mm和0.14 mm时，吸附效率分别为95.5%和98.69%；在0.14 mm到0.074 mm之间的变化很平缓，0.074 mm目时，吸附效率为99.62%，这可能是由于活性炭质量不变，颗粒变小时活性炭可供利用的表面积增大，从而吸附更多的SO42-[18]。但颗粒更小的活性炭进行过滤时活性炭极易残留，不易固液分离，因此，选用0.535 mm的CSCC备用。

图2 粒径大小对吸附效率的影响Fig. 2 Effects of particle size on adsorption efficiency

2.3 活性炭用量对吸附效率的影响

由图3可以得出，选用0.535 mm的活性炭颗粒，在吸附时间为1 h的条件下，活性炭的吸附效率随活性炭用量的增加而逐渐增大。吸附效率在活性炭用量从0.1～1.5 g时明显增高，由31.2%增大到96.13%；在1.5到2.5g时的吸附效率变化很平缓，由96.13%增大到100%。活性炭用量增加后，导致表面积同时增多[19]，可以吸附更多的SO42-。

图3 活性炭用量对吸附效率的影响Fig. 3 Effects of activated carbon dosage on adsorption efficiency

2.4 温度对吸附效率的影响

由图4可以得出，温度从常温到40 ℃时，吸附效率上升较快，在由常温下的81.21%增加至40 ℃时的95.33%，温度为40 ℃到70 ℃时，吸附效率上升速度变缓，由98.51%缓慢上升至99.61%，温度升高，活性炭分子运动加快[20]，有利于活性炭吸附SO42-。

图4 温度对吸附效率的影响Fig. 4 Effects of temperature on adsorption efficiency

2.5 时间对吸附效率的影响

从图5可以看出，随着吸附时间的增加，活性炭吸附效率增大。在30 min～90 min过程中，吸附效率增长较快，由66.41%上升为98.82%，而在90 min～180 min内，吸附效率变化幅度很小，由98.82%缓慢增大至99.74%。

图5 时间对吸附效率的影响Fig. 5 Effects of adsorption time on adsorption efficiency

2.6 pH值对吸附效率的影响

由图6可以看出，随着pH值的增加，活性炭的吸附效果下降，pH值7～10时吸附效率下降较快，由97.33%下降为82.35%，pH值10～12时吸附效率处于一个范围波动，pH值为11时吸附效率为83.02%，pH值为12时吸附效率为82.05%，这可能是因为随着pH值增大，溶液中的氢氧根离子越多，氢氧根离子与硫离子之间存在着竞争吸附关系，从而影响了吸附效果，使得吸附率降低[21]。当pH值过低时易产生硫化氢气体，因此未设计pH小于7的试验。