廉價煤基活性焦對精制棉黑液吸附可行性實(shí)驗(yàn)研究

謝 松，盧勝濤，王金增

（河北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河北 保定071002）

1 引言

精制棉是一種應(yīng)用廣泛的工業(yè)基礎(chǔ)原料，主要用于制造纖維素酯類、醚類及其他纖維素衍生物該產(chǎn)品，在纖維素醚、涂料、火炸藥、造紙、航天、塑料等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的作用［1］。精制棉的生產(chǎn)是由棉短絨經(jīng)堿法蒸煮漂白等工藝反復(fù)精制處理所得。它是一種聚合度在10 000～15 000之間，均勻疏松的棉纖維［2］。精制棉黑液就是在精制棉的生產(chǎn)過程中，經(jīng)過堿法蒸煮和漂白工藝產(chǎn)生的高濃度的有機(jī)廢水，因其顏色深黑又可簡稱為精制棉黑液［3］。

精制棉黑液屬高濃度有機(jī)廢水，含有大量的木質(zhì)素，纖維素、半纖維素、蠟質(zhì)、油脂與果膠大分子難降解物質(zhì)。成分中大量的難生化降解的木質(zhì)素使得精制棉黑液很難經(jīng)生化處理。而對高濃度難降解有機(jī)廢水來說，物化法的應(yīng)用對提高其可生化性以及降低污染方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。吸附法因其操作簡便處理效果突出而備受青睞。

本實(shí)驗(yàn)中活性焦是一種以褐煤為原料高溫加工而成的吸附材料。褐煤是煤化程度最低的礦產(chǎn)煤，介于泥炭與瀝青煤之間的棕黑色、無光澤的低級煤，含碳量60%～77%，密度約為1.1～1.2，揮發(fā)成分大于40%。褐煤在中國的儲量約為2 118億t，但是由于其熱值低，雜質(zhì)多，所以褐煤一般很少被利用。現(xiàn)在各種材料制成的活性焦在工程上多用于脫硫脫硝［4，5］，而且技術(shù)很成熟。但是活性焦用在工業(yè)污水的報道很少。因此用煤基活性焦作為吸附介質(zhì)對精制棉黑液進(jìn)行吸附處理，對擴(kuò)展活性焦應(yīng)用領(lǐng)域很有意義。

2 材料和方法

實(shí)驗(yàn)用精制棉黑液，取自瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司，經(jīng)測定其化學(xué)需氧量（COD）為3836mg／L，活性焦由北京大唐電力有限公司提供。

2.1 活性焦的前處理

用去離子水對活性焦進(jìn)行清洗，去除活性焦表面一些附著的雜質(zhì)；洗到清洗水變?yōu)橥该鳛橹梗瑢⑾春玫幕钚越狗湃?05℃烘箱中烘干72h，然后將烘干后的活性焦放入具塞玻璃瓶中進(jìn)行保存，以備后用。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)：在250mL具塞玻璃瓶中放入100mL精制棉黑液，并向各個玻璃瓶中放入事先洗凈干燥的1.0g（0.45～0.90mm）活性焦.然后將準(zhǔn)備好的具塞玻璃瓶放置到恒溫?fù)u床上轉(zhuǎn)速設(shè)定為250r／min，搖床溫度設(shè)定為30℃。不同條件實(shí)驗(yàn)時，改變相應(yīng)的條件?？紤]到精制棉黑液是成分復(fù)雜的有機(jī)廢水，因此實(shí)驗(yàn)中采用化學(xué)需氧量（COD）作為測試指標(biāo)，對吸附實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行描述表征?；瘜W(xué)需氧量（COD）的測定參用HACH法［6］。為了更好的觀察活性焦吸附前后的形態(tài)差別，吸附前后的活性焦用環(huán)境掃描電鏡進(jìn)行觀察。

3 結(jié)果與討論

3.1 吸附時間對吸附效果的影響

吸附過程中吸附時間對吸附過程有著重要的影響，在工業(yè)應(yīng)用中確定最佳的吸附時間對工藝的設(shè)置有著重要的作用，可以保證在最佳時間內(nèi)達(dá)到最佳的效果。為了確定吸附飽和時間，在250mL具塞玻璃瓶中放入100mL精制棉黑液，并向玻璃瓶中放入事先洗凈干燥的1.0g（0.45～0.90mm）活性焦。然后將準(zhǔn)備好的具塞玻璃瓶放置到恒溫?fù)u床上轉(zhuǎn)速設(shè)定為250r／min，搖床溫度設(shè)定為30℃。為了保證吸附充分，時間設(shè)定為360min。在不同時間用移液槍取樣1.0mL，然后在10 000r／min條件下離心10min，取上清液進(jìn)行COD測定，結(jié)果見圖1。

圖1 吸附時間對單位吸附量的影響

從圖1中可以看出，隨著吸附時間的延長，活性焦單位吸附量逐漸增加，并且在5～90min內(nèi)增加幅度相對較大，而過了90min后吸附量的增加變得相對緩慢，從180min往后一直到360min吸附量達(dá)到平衡即最大值93.52g／mg.最終確定吸附平衡時間為180min。因此后面條件實(shí)驗(yàn)的吸附時間確定為180min。

3.2 不同質(zhì)量的活性焦對吸附效果的影響

圖2 不同質(zhì)量的活性焦對吸附的影響

在實(shí)際應(yīng)用過程中，必須根據(jù)實(shí)際廢水的情況確定所需吸附介質(zhì)的質(zhì)量，這對整個工藝參數(shù)的設(shè)定至關(guān)重要。因此本實(shí)驗(yàn)考察了不同質(zhì)量的活性焦對吸附過程影響并且用單位吸附量和COD的去除率兩個指標(biāo)進(jìn)行了表示，結(jié)果見圖2。從圖2中可以看出，活性焦的單位吸附量隨著活性焦加入量的增加而不斷的減少?；钚越褂兄潭ǖ谋缺砻娣e和吸附位點(diǎn)，因此同等體積的污水中活性焦添加量越大，單位吸附位點(diǎn)的競爭越大，這樣勢必會造成無法充分的利用活性焦的吸附作用，因此在同等條件下活性焦添加量應(yīng)該越少越好。

3.3 不同質(zhì)量的活性焦對精制棉黑液COD去除率的影響

所有吸附實(shí)驗(yàn)最終的目的是達(dá)到理想的吸附效果，因此確定精制棉黑液COD最大的去除率，以及相應(yīng)的吸附量對吸附實(shí)驗(yàn)來說必不可少，結(jié)果見圖3。

圖3 不同質(zhì)量的活性焦對精制棉黑液COD去除率影響

如圖3所示，精制棉黑液COD去除率隨著活性焦質(zhì)量的增加而增加。在開始階段這種趨勢比較明顯，但是當(dāng)每個含100mL廢水的實(shí)驗(yàn)瓶添加量達(dá)到4g時候，增加趨勢開始變緩。這提示在實(shí)際應(yīng)用過程中最佳的投加量應(yīng)該是40g／L左右。當(dāng)投加量達(dá)到6g時候COD的去除率達(dá)到最大78.8%。精制棉黑液的COD從開始的3 836mg／L降到854。

3.4 活性焦吸附前后的形態(tài)觀察

吸附介質(zhì)的形態(tài)和元素組成對吸附效果有著重要的影響，本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用掃描電鏡對活性焦吸附前后的顯微形態(tài)進(jìn)行了觀察，并且對其表面進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果見圖4。

圖4 活性焦吸附前后的掃描電鏡照片

如圖4所示，活性焦沒有吸附前，可以看到表面有很多溝壑裝的結(jié)構(gòu)，而且表面有很多空隙。從右邊吸附后的電鏡照片可以明顯看出，原先溝壑和空隙裝的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被吸附物所覆蓋，變得相對封閉。這也從側(cè)面印證了前面實(shí)驗(yàn)中活性焦很強(qiáng)的吸附能力。

［1］陳新戰(zhàn).精制棉生產(chǎn)工藝技術(shù)的探索［J］.河北化工，2007，30（1）：20～21.

［2］鄒士洋，楊臘梅.精制棉廢水處理工程實(shí)踐［J］.江蘇環(huán)境科技，2005（2）：7～8.

［3］胡 波，黎敏聰.反應(yīng)器處理精制棉廢水的試驗(yàn)研究［J］.環(huán)境科技，2009，22（1）：30～31.

［4］Davini P.Adsorption of sulfur dioxide on thermally treated active carbon［J］.Fuel，1989（68）：145.

［5］Davini P.Adsorption and desorption of SO2on active carbon：the effect of surface basic group［J］.Carbon，1990（28）：565.

［6］于 鈺，趙泉林.酸析法預(yù)處理精制棉黑液研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報，2011，6（43）：208～211.