木炭對(duì)垃圾滲瀝液中COD的吸附性能研究*

李廣科，宋膠膠，栗　　赟，王一平，王聰穎

（山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西　　太原　030006）

木炭對(duì)垃圾滲瀝液中COD的吸附性能研究*

李廣科，宋膠膠，栗赟，王一平，王聰穎

（山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006）

研究了木炭對(duì)垃圾滲瀝液中COD的吸附過程，同時(shí)應(yīng)用吸附動(dòng)力學(xué)模型pseudo-first order和pseudosecond order及吸附等溫模型Langmuir和Frundlich對(duì)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。結(jié)果表明，吸附36 h后吸附過程趨于平衡，滲瀝液中COD的初始濃度為414、1 164、2 179 mg/L時(shí)，COD的去除率分別為89.79%、84.03%、65.91%，單位吸附量分別為9.28、24.45、27.87 mg/g。木炭對(duì)COD的吸附符合pseudo-second order動(dòng)力學(xué)模型及Langmuir吸附等溫模型，液膜擴(kuò)散和化學(xué)吸附反應(yīng)是影響吸附速率的主要步驟。生物質(zhì)炭對(duì)滲瀝液中COD有較好的去除效果。

木炭；垃圾滲瀝液；吸附動(dòng)力學(xué)；吸附等溫線

目前，常用活性炭作為吸附劑處理廢水［1-2］，但活性炭活化過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢渣、廢氣、廢水，造成二次污染。生物質(zhì)炭是活性炭活化之前的產(chǎn)物，是由植物生物質(zhì)在完全或部分缺氧的條件下，經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化的難溶性固態(tài)物質(zhì)，屬于廣義概念上黑炭的一種。生物質(zhì)炭具有較大的比表面積，表面含有較多的含氧活性基團(tuán)［3］，其制備的原料成本低且較為廣泛，常見的生物質(zhì)原料有農(nóng)業(yè)廢棄物、木屑、活性污泥等［4］，被認(rèn)為是環(huán)境領(lǐng)域內(nèi)具有廣闊應(yīng)用前景的一種材料［5-6］。此外，在廢水處理方面也有較好的吸附效果，徐仁扣等［7］發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭可作為一種高效吸附劑吸附廢水中甲基藍(lán)；楊柳燕等［8］將生物質(zhì)炭固定化改性后發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭能有效吸附水體硝態(tài)氮；李戀卿等［9］發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭可望作為去除水體多環(huán)芳烴污染的新型吸附材料；陳寶梁等［10］用生物質(zhì)炭吸附水中有機(jī)物，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭具有較大的吸附能力和吸附容量。鑒于此，本實(shí)驗(yàn)用木炭代表生物質(zhì)炭，研究了其對(duì)滲瀝液中COD的吸附性能，以期為生物質(zhì)炭在水污染控制方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)所用木炭購(gòu)自成都全然備長(zhǎng)炭有限公司其目數(shù)為40～60目。所用垃圾滲瀝液采自太原市某垃圾填埋場(chǎng)。

恒溫?fù)u床（ZHWY-211B，上海智城分析儀器制造有限公司）；循環(huán)水式多用真空泵（SHZ-C廣州市予華儀器有限公司）；精密pH計(jì)（PHS-3C上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）。

1.2吸附實(shí)驗(yàn)

將垃圾滲瀝液用蒸餾水稀釋不同比例。稱取8g木炭于500 mL聚乙烯瓶中，加入100 mL蒸餾水浸潤(rùn)后，依次加入100 mL不同COD濃度的滲瀝液，置于恒溫振蕩箱中振蕩不同時(shí)間（120 r/min，（26±0.5）℃）后，過濾，采用重鉻酸鉀快速法［11］測(cè)定濾液中COD。

2　　結(jié)果與討論

2.1平衡時(shí)間

圖1為吸附時(shí)間對(duì)滲瀝液中COD去除率及單位吸附量的影響，COD的初始濃度為414、1 164、

2 179 mg/L。可看出，吸附可大致分為3個(gè)階段，即2 h以內(nèi)的快速吸附階段，2～12 h緩慢吸附階段，

12～60 h趨于平衡階段。吸附初期的0.5 h內(nèi)，由于木炭表面的空吸附位較多，木炭對(duì)滲瀝液中COD吸附速率很高，當(dāng)吸附至2 h后，吸附逐漸緩慢，出現(xiàn)一個(gè)偽平衡，此時(shí)高、中、低3個(gè)濃度COD去除率分別為26.29%、40.31%、30.45%，單位吸附量分別為14.32、11.73、3.15 mg/g。當(dāng)吸附12 h后發(fā)現(xiàn)，吸附仍然繼續(xù)進(jìn)行，且比2 h時(shí)去除率分別提高了7.86%、16.90%、31.59%，單位吸附量分別增加了 4.28、4.92、3.27 mg/g。在36～60 h時(shí)，吸附已基本平衡，COD最終的去除率分別為69.67%、88.99%、89.92%，對(duì)應(yīng)的單位吸附量分別為29.46、25.89、9.30 mg/g?？紤]到實(shí)際應(yīng)用，本實(shí)驗(yàn)將吸附平衡時(shí)間確定為36 h，其對(duì)應(yīng)的COD去除率分別為65.91%、84.03%、89.79%，單位吸附量分別為27.87、24.45、9.28 mg/g。

圖1 吸附時(shí)間對(duì)不同初始COD濃度去除率及單位吸附量的影響

2.2吸附動(dòng)力學(xué)

吸附過程一般可分為3個(gè)“串聯(lián)”連續(xù)步驟，即液膜擴(kuò)散階段、顆粒內(nèi)擴(kuò)散階段、化學(xué)吸附反應(yīng)階段，吸附的總體速率取決于其中最慢的階段［12-13］。為研究木炭對(duì)滲瀝液中COD的吸附動(dòng)力學(xué)及吸附過程中主要影響步驟，分別采用偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、液膜擴(kuò)散方程、顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程、化學(xué)吸附反應(yīng)方程對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)如表1所示，偽二級(jí)擬合結(jié)果如圖2所示。

表1　　吸附動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)

圖2　　偽二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果

從表1可看出，偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)、偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程都可以用來擬合木炭對(duì)滲瀝液中不同初始COD濃度的吸附動(dòng)力學(xué)，而偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能夠更真實(shí)地反應(yīng)木炭對(duì)滲瀝液中COD的吸附機(jī)理。偽二級(jí)吸附速率參數(shù)k2表明，低濃度COD時(shí)的吸附速率0.027 g/（mg·h） 要高于高濃度的吸附速率 0.011 g/（mg·h），且不同初始COD濃度下的理論最大吸附量接近于實(shí)際最大吸附量，說明此時(shí)吸附已達(dá)到平衡。從表中還可看出，液膜擴(kuò)散和化學(xué)吸附反應(yīng)控制吸附的主要速率，隨著滲瀝液中COD濃度的降低，吸附反應(yīng)逐漸占據(jù)主要步驟。

2.3吸附等溫線

為進(jìn)一步研究木炭對(duì)COD的吸附機(jī)理，分別將木炭與含有不同初始COD濃度的滲瀝液混合吸附2、12、36 h，其吸附等溫線如圖3所示。分別用Langmuir、Frundlich 2種吸附等溫模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)見表2。從表2可看出，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，木炭對(duì)COD的吸附逐漸傾向于Langmuir模型。對(duì)比Langmuir模型所得參數(shù)發(fā)現(xiàn)，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，KL值為正數(shù)且逐漸增大，即木炭對(duì)COD的自發(fā)程度和相對(duì)吸附能力逐漸增強(qiáng)，不同時(shí)間段下木炭對(duì)COD的理論最大吸附量也逐漸增加，分別為 20.08、20.49、29.07 mg/g，接近于實(shí)際所得最大吸附量。在Freundlich方程中，一般認(rèn)為n越大吸附性能越強(qiáng)，當(dāng)n值在1～2時(shí)表示吸附易進(jìn)行［14］。對(duì)比表中n值可知，由于吸附初期液膜擴(kuò)散及后期化學(xué)吸附反應(yīng)對(duì)吸附速率的影響，n（12 h）＞n（36 h）＞n（2 h）＞1.5，且每個(gè)時(shí)間段吸附都易進(jìn)行。

圖3 吸附等溫線

表2　Langmuir和Freundlich模型的擬合結(jié)果

3　　結(jié)論

1） 研究吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)，要充分延長(zhǎng)吸附時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)將木炭與滲瀝液混合吸附60 h后發(fā)現(xiàn)，吸附在36 h時(shí)基本趨于平衡，此時(shí)2 179、1 164、414 mg/L初始COD濃度的滲瀝液中COD去除率分別為65.91%、84.03%、89.79%，單位吸附量分別為27.87、24.45、9.28 mg/g。

2）木炭對(duì)COD的吸附符合偽二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)吸附過程中液膜擴(kuò)散和化學(xué)吸附反應(yīng)控制吸附的整體速率，且隨著滲瀝液中初始COD濃度的降低，吸附速率加快，化學(xué)吸附反應(yīng)逐漸成主要控制步驟。

3）進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)間段下，木炭對(duì)COD的吸附都極易進(jìn)行，且吸附符合Langmuir模型，為單層化學(xué)吸附。隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)Langmuir擬合度逐漸升高，木炭對(duì)COD的相對(duì)吸附能力逐漸增強(qiáng)。

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COD Adsorption Characteristics of Landfill Leachate by Using Wood Charcoal

Li Guangke，Song Jiaojiao，Li Yun，Wang Yiping，Wang Congying
（College of Environmental Science and Resources，Shanxi University，TaiyuanShanxi030006）

The adsorption of COD in the landfill leachate by wood charcoal was investigated in this study.The adsorption processes were investigated by pseudo-first order and pseudo-second order as well as Langmuir and Frundlich.The results showed that，an adsorption equilibrium wasobtained at 36 h after operation.89.79%，84.03%，65.91%of the total COD in the landfill leachate were removed at the initial COD concentrations of 414，1 164，2 179 mg/L.The adsorption capacities were 9.28，24.45，27.87 mg/g respectively.The adsorption process of COD by wood charcoal was well described by Langmuir and pseudo-second-order models.Film diffusion and chemical adsorption reaction were the key factors influencing the absorption rates.The resultsshowed that wood charcoal waseffective to remove majority of the COD from landfill leachate.

wood charcoal；landfill leachate；adsorption kineticsmodel；adsorption isotherm

X703

A

1005-8206（2016）01-0011-03

李廣科（1971—），博士學(xué)位，教授，主要從事固體廢物處理、處置及資源化研究。

山西省回國(guó)留學(xué)人員科研項(xiàng)目（2012-009）；山西省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（20120313009-2）

2015-09-01