Fenton氧化技術(shù)再生被苯酚飽和的活性炭_等溫線
導(dǎo)讀:：活性炭是黑色粉末狀或顆粒狀的無定形炭。相比傳統(tǒng)的再生工藝。氧化技術(shù)是一種針對難降解有機(jī)物的處理工藝。再生活性炭的吸附等溫線。
關(guān)鍵詞：活性炭，再生，F(xiàn)enton氧化技術(shù)，等溫線
活性炭是黑色粉末狀或顆粒狀的無定形炭，主要成分是炭，此外還有氧、氫等元素。活性炭具有發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)和巨大的比較面積，對多種物質(zhì)具有吸附能力[1]，可以用于水凈化、空氣凈化及氣相吸附、醫(yī)藥處理、食品工業(yè)、電極材料、貴金屬提取等。活性炭用于水處理中已經(jīng)有70多年的歷史，對水中溶解性有機(jī)物，如苯類化合物、酚類化合物、石油及石油產(chǎn)品具有較強(qiáng)的吸附能力，而且對生物法和化學(xué)法難以去除的有機(jī)污染物，如色度、異臭、農(nóng)藥、合成洗滌劑、胺類化合物具有良好的去除效果。活性炭水處理裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于管理，對水質(zhì)及水溫的適應(yīng)能力強(qiáng)，吸附后的有用物質(zhì)可以回收，而且飽和活性炭經(jīng)再生后可以重復(fù)使用[2]活性炭再生的主要方法有熱再生、化學(xué)再生、生物再生、電化學(xué)再生和微波再生等。傳統(tǒng)的活性炭再生技術(shù)再生效果不穩(wěn)定、活性炭損失大、再生后活性炭吸附能力下降明顯、對活性炭中吸附的有機(jī)物去除能力有限。Fenton氧化技術(shù)是一種針對難降解有機(jī)物的處理工藝，能有效處理酚類、芳胺類、農(nóng)藥等有機(jī)廢水。相比傳統(tǒng)的再生工藝，F(xiàn)enton氧化技術(shù)再生活性炭具有再生效率高、無二次污染的優(yōu)點(diǎn)。研究Fenton氧化技術(shù)對活性炭的再生，可以為Fenton氧化技術(shù)的應(yīng)用及活性炭的再生提供參考。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1飽和活性炭制備
取200 mL 250 mg/L的苯酚溶液加入具塞錐形
瓶中，每瓶加入2.5 g顆粒活性炭，25 ℃下震蕩吸附5 h，測定解吸前后苯酚濃度，確定活性炭對苯酚的吸附量。吸附飽和的活性炭用濾紙過濾，所得碳粒轉(zhuǎn)移至再生用具塞錐形瓶，進(jìn)行再生試驗(yàn)。每次使用前，制備所需的飽和活性炭。[3]
1.2再生試驗(yàn)
1.2.1 確定再生時間
向錐形瓶中加入100 mL蒸餾水，加入2.5 g飽和活性炭、亞鐵400 mg/L，H2O2 50 mmol/L，25℃ 200 r/min震蕩解吸。分別解吸不同的時間，將解吸后的活性炭清洗、過濾，轉(zhuǎn)移至250 mL具塞錐形瓶中，按制備飽和活性炭的步驟進(jìn)行吸附試驗(yàn)，測定再吸附效果，確定各條件的解吸動力學(xué)特征。
1.2.2 再生條件的選擇
向錐形瓶中加入100 mL 蒸餾水，加入一定量的活性炭和硫酸亞鐵，然后分別加入H2O2，在一定條件下震蕩解吸。每個條件設(shè)置多個組，按照不同的時間結(jié)束，確定該條件下不同時間的解吸效果。解吸完成的活性炭進(jìn)行再吸附試驗(yàn)，測定再吸附效果。
表1 再生實(shí)驗(yàn)條件
Tab.1 condition ofregeneration
|
|
H2O2用量/mmol/L |
飽和活性 炭用量/g |
亞鐵加入量 /mg/L |
再生溫度/℃ |
震蕩速度 /r/min |
pH值 |
|
H2O2加入量對再生效果的影響 |
10 |
2.5 |
400 |
25 |
200 |
7 |
|
20 |
2.5 |
400 |
25 |
200 |
7 |
|
|
50 |
2.5 |
400 |
25 |
200 |
7 |
|
|
75 |
2.5 |
400 |
25 |
200 |
7 |
|
|
100 |
2.5 |
400 |
25 |
200 |
7 |
|
|
亞鐵離子加入量對再生效果的影響 |
75 |
2.5 |
100 |
25 |
200 |
7 |
|
75 |
2.5 |
200 |
25 |
200 |
7 |
|
|
75 |
2.5 |
300 |
25 |
200 |
7 |
|
|
75 |
2.5 |
400 |
25 |
200 |
7 |
|
|
75 |
2.5 |
500 |
25 |
200 |
2 |
|
|
pH值對再生效果的影響 |
75 |
2.5 |
200 |
25 |
200 |
2 |
|
75 |
2.5 |
200 |
25 |
200 |
3 |
|
|
75 |
2.5 |
200 |
25 |
200 |
4 |
|
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75 |
2.5 |
200 |
25 |
200 |
5 |
|
|
75 |
2.5 |
200 |
25 |
200 |
6 |
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|
75 |
2.5 |
200 |
25 |
200 |
7 |
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|
75 |
2.5 |
200 |
25 |
200 |
8 |
|
|
溫度對再生效果的影響 |
75 |
2.5 |
200 |
25 |
200 |
3 |
|
75 |
2.5 |
200 |
35 |
200 |
3 |
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75 |
2.5 |
200 |
45 |
200 |
3 |
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|
震蕩速度對再生效果的影響 |
75 |
2.5 |
200 |
25 |
100 |
3 |
|
75 |
2.5 |
200 |
25 |
200 |
3 |
|
|
75 |
2.5 |
200 |
25 |
300 |
3 |
1.3 再生活性炭的吸附等溫線
分別在25℃、35℃、45℃條件下，將2.5 g活性炭分別投入50 mg/L、150 mg/L、250 mg/L、350 mg/L、450 mg/L苯酚溶液中飽和5 h，測定活性炭的吸附量。分別作新鮮活性炭和最佳條件下再生的活性炭的吸附等溫線。[4]
2 結(jié)果與討論
為了探討體系中個主要影響因子的影響，研究Fenton試劑法再生活性炭的條件，實(shí)驗(yàn)通過改變條件教學(xué)，重點(diǎn)考察Fenton實(shí)際用量、pH值、溶液溫度、攪拌速度對再生的影響以及再生后活性炭吸附性能的變化。
2.1新鮮活性炭的吸附效果
對新鮮的顆粒活性炭進(jìn)行吸附試驗(yàn)，每2.5 g顆粒活性炭吸附200 mL 250 mg/L的苯酚溶液，吸附平衡后，苯酚溶液的濃度為87.5 mg/L，苯酚的去除率為65%。
2.2 再生條件實(shí)驗(yàn)
2.2.1 再生時間確定
圖 1 活性炭再生時間對
苯酚吸附率的影響
fig. 1 Effect of regeneration time on remove efficiency
再生時間是選擇處理工藝的重要指標(biāo)，對處理效果具有很大的影響。Fenton試劑對活性炭的再生速度很快，在反應(yīng)的前30 min，經(jīng)過再生的活性炭對苯酚的去除率達(dá)到39.2%，隨著時間延長，再生活性炭的吸附性能緩慢提高，到達(dá)60 min時，再生活性炭對苯酚的去除率達(dá)到46.4%，從活性炭上解吸出來的苯酚降解完全。[5]
2.2.2 Fenton試劑的用量對再生效果的影響
(1)過氧化氫加入量對再生效果的影響
圖2 再生過氧化氫加入量對
苯酚吸附效果的影響
Fig. 2 Effect of regeneration Hydrogen peroxide dosageon remove efficiency
由圖2可以看出，H2O2加入劑量不同時Fenton試劑對活性炭再生的效果，前5 min，活性炭中吸附的苯酚解吸出來，被迅速分解活，再生的效果過非常好，H2O2劑量的影響不大。5min后，H2O2投加劑量大的組，產(chǎn)生更多的羥基自由基，活性炭再生程度進(jìn)一步提高，75 mmol/L組在60 min再生活性炭苯酚去除率達(dá)到45.8%。繼續(xù)增大H2O2劑量，發(fā)生一系列的副反應(yīng)，最終導(dǎo)致H2O2分解，從而降低羥基自由基與有機(jī)物分子結(jié)合反應(yīng)的機(jī)會，對活性炭再生的效果提升以不明顯,最終確定H2O2劑量為75 mmol/L。[6、7]
(2)鐵離子的含量對再生效果的影響：
圖3 再生亞鐵離子加入量對
苯酚吸附效果的影響
Fig. 3 Effect of regeneration ferrousion dosage onremove efficiency
由圖3可以看出教學(xué)，在100mg/L～400 mg/L,隨著Fe2+離子濃度的增加，F(xiàn)enton反應(yīng)對活性炭再生的最終去除率不斷增大，進(jìn)一步增加Fe2+離子的投加量，使H2O2的相對含量下降，發(fā)生副反應(yīng) Fe2++·OH→Fe3++OH-，F(xiàn)e2+對羥基自由基的捕捉使羥基自由基的濃度下降，再生效率降低。[8、9]
2.2.3pH值對再生效果的影響
圖4 活性炭再生pH值對
苯酚吸附效果的影響
Fig. 4 Effect of regeneration pH value on removeefficiency
由圖4可見，初始pH值對活性炭再生效果的影響。確定H2O2、Fe2+的劑量后，改變反應(yīng)環(huán)境的初始pH值，對Fenton試劑的氧化能力有較大影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)enton反應(yīng)體系的最佳pH值為3，反應(yīng)體系pH值控制在3～4時，再生后活性炭的吸附性能能維持在較高水平。反應(yīng)體系的初始pH值升高以后，會影響Fe2+、Fe3+的絡(luò)合平衡體系，F(xiàn)e2+轉(zhuǎn)化成Fe(OH)3沉淀或鐵的復(fù)雜絡(luò)合物，而失去催化能力。根據(jù)Fenton反應(yīng)的過程，此時Fe2+催化分解雙氧水生成羥基自由基的過程必然減弱，導(dǎo)致活性炭再生效果變差。pH值低于3以后，溶液中H+離子的濃度過高，過量的H+離子捕捉羥基自由基，使羥基自由基無效消耗，導(dǎo)致Fenton體系的氧化能力降低，使活性炭再生的效果下降。[10、11]
2.2.4溶液的溫度對再生效果的影響
調(diào)節(jié)溶液pH為3，加入Fenton試劑后，活性炭在再生過程的前60min內(nèi)到達(dá)最大處理效果。25 ℃、35 ℃、45 ℃再生后活性炭的吸附效率分別為52%、53.6%、48.4%。根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)理論，反應(yīng)溫度升高，反應(yīng)物的分子動能增加教學(xué)，反應(yīng)速率會加快。但是，升高溫度同時也促進(jìn)H2O2的分解，生成H2O和O2，不利于羥基自由基的生成，反而降低反應(yīng)的效率。[12]因此，必須在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行反應(yīng)。在25℃、35 ℃、45 ℃條件下，再生效果差別不大，考慮能量的能耗，選擇25 ℃作為再生溫度。[13]
圖5 活性炭再生溫度對苯酚吸附效果的影響
Fig. 5 Effect of regeneration temperature on removeefficiency
2.2.5 震蕩速度對再生效果的影響
圖6再生震蕩速度對
苯酚吸附效果的影響
Fig. 6 Effect of regeneration shake speed on removeefficiency
再生溶液初始pH值為3，25℃分別在100 r/min、200r/min、300 r/min條件下震蕩解吸60 min，得到解吸過程如圖6。可以看出震蕩對活性炭再生有一定影響，震蕩提高了反應(yīng)體系的傳質(zhì)效果，加快了反應(yīng)進(jìn)程，活性炭到達(dá)再生最佳效果的時間縮短了。[14]震蕩速度低，不利于反應(yīng)系統(tǒng)的物質(zhì)傳遞，活性炭到達(dá)吸附和脫附平衡的時間延長，反應(yīng)物質(zhì)接觸不完全，最終的再生效果分別是48.6%、52.3%、54.1%，適當(dāng)提高震蕩速度，可以縮短解吸時間，但對提高效果有限。[15]
2.2.6 吸附劑改性前后吸附等溫線比較
在溫度一定時，吸附量與平衡濃度的關(guān)系通過吸附等溫線表示，可以對吸附劑的吸附性能進(jìn)行研究。在25℃～45℃范圍內(nèi)，測定不同平衡濃度時苯酚在活性炭和再生后活性炭上的吸附量在不同溫度下的吸附等溫線。分別使用朗格繆爾(Langmuir)和弗蘭德里希(Freundlich)吸附等溫線對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。結(jié)果列于表2，各模型的可信度可以通過比較相關(guān)系數(shù)進(jìn)行判斷。根據(jù)擬合的結(jié)果，活性炭及再生后活性炭吸附苯酚采用朗格繆爾(Langmuir)吸附等溫線擬合的線性相關(guān)系數(shù)好，R2明顯高于弗蘭德里希(Freundlich)模型。再生前后的活性炭無量綱分離系數(shù)0
表2 反應(yīng)等溫線的研究
Tab. 2 List of Reaction Isotherms
|
吸附等溫線模型 |
|||||||||
|
Langmuir |
Freudlich |
||||||||
|
|
T（℃） |
R2 |
k1(L mg-1)×103 |
qm(mg g-1) |
RL |
T（℃） |
R2 |
k |
n |
|
新鮮活性炭吸附 |
25 |
0.991 |
0.042 |
17.857 |
0.050 |
25 |
0.970 |
2.181 |
2.571 |
|
35 |
0.977 |
0.019 |
16.393 |
0.101 |
35 |
0.897 |
0.892 |
1.931 |
|
|
45 |
0.995 |
0.016 |
14.493 |
0.119 |
45 |
0.981 |
0.941 |
2.165 |
|
|
再生活性炭吸附 |
25 |
0.984 |
0.027 |
9.259 |
0.074 |
25 |
0.896 |
1.232 |
2.907 |
|
35 |
0.983 |
0.018 |
8.474 |
0.109 |
35 |
0.943 |
0.781 |
2.532 |
|
|
45 |
0.968 |
0.009 |
8.474 |
0.195 |
45 |
0.949 |
0.324 |
1.908 |
|
3 結(jié) 論
從再生條件的篩選，確定Fenton氧化再生活性炭的主要影響因素為：過氧化氫的加入量、亞鐵離子的加入量、pH值，其次是震蕩速度和溫度。得出再生的最佳條件為：加入Fenton試劑(過氧化氫75mmol/L、亞鐵離子400mg/L)，調(diào)節(jié)pH值為3，溫度為25℃，使用300 r/min的速度攪拌，再生后活性炭對苯酚的去除率為54.1%，低于新購活性炭的65%。再生不完全，可以通過進(jìn)一步處理提高再生效果。根據(jù)等溫線分析，再生炭的吸附性能較為理想，能夠進(jìn)行使用，可以應(yīng)用于高濃度含酚廢水的處理及預(yù)處理。
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