改性活性炭吸附废水中污染物的性能与机理研究*

麻思明，陈 静，王欣欣

（西安职业技术学院，陕西 西安 710077）

不断增加的废水排放量，给人们生活和环境带来越来越大的影响，特别是污水废水的处理成为困扰我们的一大难题，在造纸、农副产品、生活污水等方面尤为突出，其中的酚类物质属于有毒物质，对人类的健康有着极大的危害[1]，双酚A（2,2-二（4-羟基苯基）丙烷，BPA）属于酚类污染物之一，而活性炭有较强的吸附力，其吸附速度快等优点被广泛用于废水处理中[2]。在氧化处理BPA 的研究中，催化剂的投放、催化剂的用量、BPA 的初始浓度、溶液的酸碱性等都会对催化产生影响[3-5]。利用活性炭进行BPA 的吸附研究中，Nakanish[6]等利用不同温度下得到的木屑碳对废水中的BPA 污染物进行吸附研究，获得了最佳温度下木屑碳吸附量的最大值。Choi等[7]研究者发现，活性炭表面的酸碱性以及带电荷量的多少，对其吸附的能力有很大的影响。Asada 等[8]研究者将竹子进行碳化得到实验所需活性炭，能很好的吸附BPA。李若愚等[9]研究者研究了颗粒状的活性炭对BPA 也具有较好的吸附性。本论文利用木质活性炭，对该活性炭进行一系列的酸碱、氧化还原改性处理，然后通过相关实验研究活性炭吸附废水中的NO3-和Hg2+情况，并对BPA 的浓度是否影响吸附做了相关实验，最终确定了吸附达到平衡时的时间。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

木质炭，标记为W20；双酚A（BPA >99% 山东泽诚试剂有限公司）；N2、H2、浓HNO3、浓HCl、NaOH、Hg（NO3）2，以上均为分析纯，北京化工有限公司。

BSA224S 型电子天平 (德国Sartorius 公司)；101-0A 型恒温干燥箱（天津器件机械厂）；SK2-1-9K 型马弗炉（哈尔滨西夏有限公司）；K85-1 型控温式磁力搅拌棒（江苏希文化工有限公司）；SHZ-88 型恒温水浴振荡器（江苏金怡仪器科技有限公司）；UV4802 型紫外可见光光度计（上海尤尼柯仪器有限公司）。

1.2 活性炭的改性

实验前，先将所需的木质炭进行去离子水洗涤，直至溶液的pH 值保持不变为止，洗涤好的溶液在恒温箱中进行24h 的烘干操作，恒温箱温度控制在105°C，烘干后的粉末在N2的保护下置于棕色瓶中进行干燥保存。

1.2.1 氧化处理 使用HNO3溶液对活性炭进行氧化处理，将HNO3溶液与活性炭按照10mL∶1g 的配比进行配制混合，其中HNO3溶液的摩尔质量为15mol·L-1，混合充分的溶液在恒温水浴中进行6h 的沸腾回流，温度恒定为90°C，最后取出活性炭，进行去离子水洗涤并在恒温箱中进行干燥，得到的材料记为W20A。

1.2.2 还原处理 N2和H2对活性炭进行还原处理，马弗炉内放入活性炭，并以60mL·min-1的速度通入H2，时长45min，使马弗炉内的空气排净，之后在同一条件下的H2的保护作用下，将马弗炉匀速升温至900°C，3h 后温度降为室温，先停止通H2，再在N2保护作用下置于干燥容器内保存，记为W20H。

马弗炉内放入活性炭，并以100mL·min-1的速度通入H2，时长1h，使马弗炉内的空气排净，之后在同一条件下的H2保护作用下，将马弗炉匀速升温至600°C，3h 后温度降为室温，先停止通H2，再在N2保护作用下置于干燥容器内保存，记为W20N。

1.2.3 酸碱处理 用HCl 溶液以及NaOH 溶液对活性炭进行酸碱处理。将HCl 溶液与活性炭按照10mL∶1g 的比例进行配制混合，其中HCl 溶液的摩尔质量为12mol·L-1，混合充分的溶液在恒温水浴中进行2h 的沸腾回流，温度恒定为80°C，取出活性炭，进行去离子水洗涤，并用AgNO3检测溶液没有白色沉淀生成为止，最后在恒温箱中进行干燥，得到的材料记为W20C。

将NaOH 溶液与活性炭按照10mL∶1g 的比例进行配制混合，其中NaOH 溶液的摩尔质量为1mol·L-1，然后进行磁力搅拌，时长24h，最后取出活性炭，并进行恒温干燥，记为W20B。

1.3 吸附及平衡

1.3.1 NO3-及Hg2+的吸附 配制100mL 浓度为5～200mg·L-1的HNO3溶液，并将0.2g 的活性炭W20放入溶液中，用搅拌棒搅拌，在波长20nm 处对溶液中的NO3-进行浓度测定，并进行吸附量的计算；配制100mL 的浓度为5～200mg·L-1的Hg（NO3）2溶液，并将0.05g 的活性炭W20 放入溶液中，用搅拌棒搅拌，每隔2h 取澄清液，滴入5（w）%的双硫腙溶液使其充分反应，并在波长490nm 处用紫外分光光度计对溶液中的Hg2+进行吸光度的测定，计算Hg2+的浓度并求出吸附量。

1.3.2 BPA 的吸附与平衡研究

（1）将100mL 不同浓度的BPA 溶液分别放入细口瓶中，细口瓶中提前放入1mmol·L-1pH 值为7的磷酸盐溶液作为缓冲剂，然后依次向细口瓶中加入10mg 的W20 系列活性炭，并将细口瓶置于恒温水浴振荡器中以150r·min-1的转速进行振荡，温度为25°C，反应24h 后进行取样，依据不同的时间对剩余液体进行取样，并分析其浓度，此实验是考察不同浓度的BPA 溶液对改性活性炭造成的吸附影响。

（2）选用浓度为60mg·L-1的BPA 溶液，分别放入不同的锥形瓶中，随后向瓶中加入10mg 的W20系列活性炭，并将细口瓶置于恒温水浴振荡器中以150r·min-1的转速进行振荡，温度为25°C，反应24h后进行取样，依据不同的时间对剩余液体进行取样，并分析其浓度，此实验是考察BPA 溶液对不同的改性活性炭的吸附平衡情况。

2 结果与讨论

2.1 NO3-及Hg2+的吸附等温线

本实验选用改性活性炭对废水中的NO3-，Hg2+吸附的等温线见图1。

图1 吸附离子的Langmuir 和Freundlich 等温曲线Fig.1 Langmuir and Freundlich isotherm curves of adsorbed ions

图1（a）中，Langmuir 和Freundlich 等温曲线的相关系数R2分别为0.999 和0.996，Langmuir 等温线的相关系数值较高，故用此描述整个吸附过程比较合适。当NO3-浓度为80mg·L-1时，吸附量达到最大值为76mg·g-1，与文献[10]中的吸附数据比较，其吸附效果较好。图1（b）中，Langmuir 和Freundlich 等温曲线的相关系数R2分别为0.997 和0.995，当Hg2+浓度为20mg·L-1时，吸附量达到最大值为342mg·g-1。

2.2 BPA 浓度对吸附效果的影响

本实验研究了不同浓度的BPA 对吸附效果的影响，了解改性活性炭的吸附能力以及实验所需的BPA 的浓度范围。不同浓度的BPA 下活性炭的吸附能力曲线图见图2，其去除率在52.96%~99.01%之间，具有较高的去除率。

由图2 可见，在吸附的前24h 内，改性活性炭对BPA 的吸附速率较快，在整个吸附实验过程中，吸附速率随着时间的推移逐渐增强，随后逐渐变缓，甚至达到平衡状态，此时去除率处于平稳的状态。去除率还随着BPA 浓度不断增加呈现下降的趋势，由99.01%下降到52.96%，而改性活性炭的吸附能力呈现增加的趋势，由47.02mg·L-1增加到452.76mg·L-1，这是因为，随着BPA 浓度不断增加，改性活性炭表面的吸附逐渐达到饱和状态。

2.3 吸附平衡所需时间的确定

本实验研究了改性活性炭在改性前后对BPA的吸附量的对比，结果见图3。

图3 W20 系列活性炭对BPA 的吸附平衡曲线Fig.3 Adsorption equilibrium curve of BPA on W20 series activated carbon for BPA

由图3 可见，在第4 天时，检测到的溶液中的BPA 的浓度几乎保持不变，因此，等温线实验的平衡时间确定为4d。经N2和HNO3处理过的活性炭的吸附能力分别达到了最高和最低的状态，BPA 去除率分别为78.36%和9.02%。

3 结论

本论文利用木质活性炭为吸附材料，通过HNO3、HCl、H2等改性剂对活性炭进行改性处理，采用单一变量的方法，研究BPA 浓度对活性炭吸附存在一定的影响，其吸附率随着时间的推移呈现先增加后降低的趋势；最终确定吸附达到平衡时的吸附时间为4d；当废水中NO3-及Hg2+的浓度都为200mg·L-1时，其吸附量达到最大值。此研究结果为以后的相关研究奠定了基础。