碳纤维水处理装置的设计及其吸附研究

赵 云

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

由于水体中氮磷等营养物质不断地排入，致使水资源遭到污染。人们已经逐渐意识到水资源保护及水污染治理的重要性，尝试各种方法修复受污染的水体[1-3]。

碳纤维(Carbon Fiber，CF)是由纤维原料经过一系列高温热处理而成的含碳量可达90%以上的高性能纤维状碳材料[4]。目前，碳纤维凭借其优异的吸附性能广泛用于饮用水、有机废水、养殖废水的处理[5-7]。碳纤维不仅比表面积较大，孔隙结构发达，能高效地去除水中的大分子物质，而且其表面具有许多含氧官能团，可吸附水中的有机污染物，从而降低水体的污染程度[8]。

本文设计出易更换吸附材料的高效水处理净化装置，具有可循环利用、装置固定、易拆卸清洗、多层省空间等优点。研究考证了碳纤维水处理装置对水体中COD、氨氮和总磷的去除效果，为治理污染水体提供了理论与实践的双重借鉴。

1 水处理循环净化装置的设计

本文研究的水处理装置，可将吸附材料置于动态吸附环境下进行测试，同时具有易清洗、体积小、形状简单美观的特点，对结构设计和控制提出了更高的要求。

(1)为便利实验的进行，装置设计可拆卸，可随时观察并采集水样，方便测定水质浓度变化。

(2)吸附层采用改良抽屉式结构，可放置多种、多层水处理吸附材料，且该部分设计为可拆卸，易清洗易更换的吸附材料。

(3)利用水的势能及抽水泵原理，实现了水循环，节约了成本与资源。处理后的水可直接排放或重复利用，大大地降低了水资源的浪费。

(4)二级箱将折流和吸附技术合二为一，既充分利用了空间，又能借助折流达到更好的吸附处理效果。

实验设计并搭建的水处理循环净化装置，由一级箱、二级箱、过滤箱、三级箱、蠕动泵等组成，可实现对废水污染物动态吸附效果的测定，使其更加接近废水处理的真实情况。水处理循环净化装置，见图1。

图1 水处理循环净化装置示意图

图1中，废水池容积最大约为20L，自吸泵提供装置的总动力，流量约26L/min。一级箱、二级箱、三级箱为PP材质水箱，长、宽、高分别44、33、21cm，装置总长1.70m，总高0.75m。二级箱内部，放置10cm×10cm×10cm(长×宽×高)的有机玻璃过滤箱，用于放置碳纤维。碳纤维表面，有300目尼龙过滤网包裹，防止掉絮现象。过滤箱与二级箱之间，有PVC给水胶粘剂固定，保证通过过滤箱的水能够经二级箱流入到三级箱中。废水，从废水池经自吸泵抽入一级箱，并随势能流入过滤箱，经处理，流入三级箱中。三级箱与废水池之间，连接有水龙头和截止阀，方便将定量处理后的水取样检测。

2 实验方法

实验设备与仪器，见表1

表1 实验设备与仪器

3 静态条件下吸附影响因素的确定

本文使用聚丙烯腈基碳纤维规格30mm×30mm×1mm(长×宽×高)作为吸附剂，对水中的COD、氨氮、总磷污染物进行吸附。考察吸附时间、碳纤维投加量2个变量对吸附性能的影响。根据影响的变化规律，得出相对最佳的吸附参数。

污水中，在初始浓度COD为150mg/L、氨氮为80mg/L、总磷为50mg/L时，分别投加4g的碳纤维，设置反应时间分别为10、20、30、60min。反应结束，将水样取出，测量污染物浓度，计算COD、氨氮及总磷的去除率，结果见图2。

图2 不同时间对污染物去除率的影响

由图2可知，污染物去除率随着时间的增长而增大。当吸附时间为30min，污染物的吸附已经达到静态吸附条件下的较高水平，持续增长时间到60min，其去除率虽有提升，但幅度不大。这有可能在30min时，碳纤维已经达到了吸附饱和，此后去除率会有平缓地增长或保持不变。因此，研究认为，30min为最佳吸附时间。

在初始浓度COD为150mg/L、氨氮为80mg/L、总磷为50mg/L，吸附时间为60min的情况下，分别将不同质量的碳纤维放入水中，60min后，将水样取出，测量污染物剩余浓度，分别计算污染物去除率，见图3。

图3 不同碳纤维投加量对污染物去除率的影响

由图3可知，污染物去除率随着碳纤维投加量的增大呈现：先增大，后稍有减小的趋势。当碳纤维投加量为4g时，污染物的吸附已经达到静态条件下的较高水平，持续增大碳纤维的投加量，会表现出下降的趋势。因此，研究选定4g作为最佳碳纤维投加量，并将此次试验得到的最佳吸附时间与最佳碳纤维投加量，用于后续实验，以减小因吸附条件变化导致的实验误差。

4 动态条件下吸附性能的研究

在前文得到的最佳静态吸附条件的基础上，即吸附时间为30min，碳纤维投加量为4g，将碳纤维材料放入研究设计搭建的水处理循环净化装置中，进行动态吸附性能研究。实验于前一天将所需的碳纤维材料，用超声波清洗30min，放入到干燥好的大烧杯中，将其放入到电热恒温鼓风干燥箱中24h烘干，自然冷却至室温，减少对实验结果的影响，见图4。

图4 静态与动态实验条件下各污染物去除率的对比

由图4可知，动态实验条件下的污染物去除率比静态实验条件下有所提升，COD、氨氮、总磷去除率分别提高了10.39%、10.58%、8.79%，去除率基本接近20%。在水处理循环净化装置中，可以实现废水的循环处理，为碳纤维与污染物的反应提供一个稳定可靠的环境，且有利于碳纤维的吸附效果成倍地增加。

5 结论

本章以碳纤维为吸附原料，设计并搭建了水处理循环净化装置，从静态吸附和动态吸附2个角度，对水中COD、氨氮、总磷吸附效果进行探究，结论如下。

(1)静态实验条件下，经过考察，发现不同吸附时间、不同碳纤维投加量2个单因素后，对不同污染物进行去除率评价，得到：在吸附时间为30min、碳纤维投加量为4g时，COD、氨氮、总磷的去除率达到最优，去除率基本上接近10%。

(2)动态实验较静态实验，碳纤维吸附效果成倍地增加，对COD、氨氮、总磷的去除率增长了近10%。动态水处理循环净化装置，利用水的势能、抽水泵和蠕动泵实现了水循环。处理后的水，可重复利用，降低了水资源的浪费。