引用本文
孙正汉, 丁跃华, 耿朝阳, 高建勇. 生物质基活性炭对对硝基苯酚吸附性能比较[J]. 工业催化, 2017,25(6): 74-77.
Sun Zhenghan, Ding Yuehua, Geng Zhaoyang, Gao Jianyong. Comparison of adsorption properties of biomass based activated carbon for p-nitrophenol [J]. Industrial Catalysis, 2017,25(6): 74-77.  
Doi:10.3969/j.issn.1008-1143.2017.06.017
Permissions
Copyright©2017, 《工业催化》编辑部
《工业催化》编辑部 所有
生物质基活性炭对对硝基苯酚吸附性能比较
孙正汉, 丁跃华*, 耿朝阳, 高建勇
昆明理工大学冶金与能源工程学院,云南 昆明 650093
通讯联系人:丁跃华,男,副教授。

作者简介:孙正汉, 1992年生, 男,江苏省盐城市人,在读硕士研究生,研究方向为冶金环保。

收稿日期: 2017-02-22
摘要

对硝基苯酚毒性大,难于生物降解,是化工、农药和染料等行业废水中常见的有机污染物。采用木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭对对硝基苯酚吸附性能进行研究,对比不同活性炭对对硝基苯酚的吸附效果,考察不同活性炭吸附对硝基苯酚的经济效益,吸附强度和吸附量顺序为:椰壳活性炭﹥煤质活性炭﹥木质活性炭,选择煤质活性炭吸附对硝基苯酚。

关键词: 水污染防治工程; 不同原材料活性炭; 对硝基苯酚; 吸附性能
中图分类号:TQ426.6    文献标志码:A    文章编号:1008-1143(2017)06-0074-04
Comparison of adsorption properties of biomass based activated carbon for p-nitrophenol
Sun Zhenghan, Ding Yuehua*, Geng Zhaoyang, Gao Jianyong
College of Metallurgy and Energy Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,Yunnan,China
Abstract

p-Nitrophenol is a common organic pollutants in the wastewater of chemical industry,pesticide,dyestuff and so on due to its high toxicity and difficult biodegradation.The adsorption behaviors of wooden activated carbon,coconut shell activated carbon and coal activated carbon for p-nitrophenol were studied,and their adsorption effects for p-nitrophenol were compared.The economic benefits of p-nitrophenol adsorption on different activated carbon materials were investigated.The order of adsorption strength and adsorption capacity was as follows:coconut shell activated carbon﹥coal activated carbon﹥wooden activated carbon.The coal activated carbon was chosen for p-nitrophenol adsorption.

Keyword: water pollution preventing and controlling engineering; different raw material activated carbon; p-nitrophenol; adsorption properties

近年来, 国内自来水行业根据水质污染情况提出活性炭对对硝基苯酚的吸附需求。对于活性炭吸附对硝基苯酚, 大多研究集中在活性炭去除对硝基苯酚的方法和单一活性炭的吸附性能或外界环境对活性炭吸附对硝基苯酚性能的影响[1, 2, 3]。

目前采用的去除对硝基苯酚的方法主要有物理法、化学法和生物法。其中, 物理法包括吸附、膜分离技术和萃取等; 吸附法因具有操作简单、去除效率高和不额外产生有毒副产品的优点, 得到广泛应用。在众多吸附剂中, 活性炭因具有发达的孔隙结构和大比表面积以及化学性质稳定、机械强度高、耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂等优点而获得广泛应用。根据材质可以分为果壳活性炭、石油类活性炭、再生炭、煤质活性炭和木质活性炭。

根据活性炭材质的不同对比椰壳活性炭、煤质活性炭和木质活性炭在最佳温度和时间条件下, 通过吸附等温线得到吸附容量, 评价不同活性炭材料的吸附效果, 并根据市场价格进行比较, 得到对硝基苯酚吸附最经济实惠的活性炭材料及方法[4, 5, 6, 7]。

本文研究木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭对对硝基苯酚吸附性能。

1 实验部分
1.1 仪 器

752型紫外分光光度计, 上海光谱仪器有限公司; TDL80.2B型台式离心机, 上海安亭科学仪器厂; THE.312型台式恒温振荡器, 上海精宏实验设备有限公司; DHG.9140A型电热恒温鼓风干燥箱, 上海精宏实验设备有限公司。

1.2 活性炭粉末制备

活性炭用去离子水浸泡24 h, 反复清洗, 去除吸附在活性炭表面的粉尘和其他物质, 120 ℃烘箱烘干2 h, 用研磨机研磨后过200目, 制得活性炭粉末, 粒径小于282 μ m。

1.3 对硝基苯酚原液制备

取市售对硝基苯酚0.25 g, 加入1 mL无水乙醇, 使其缓慢溶解, 用蒸馏水定容至1 000 mL, 配制250 mg· L-1储备液。吸取2 mL储备液, 用蒸馏水定容至100 mL, 配制浓度20 mg· L-1标准液。

1.4 对硝基苯酚测量方法

使用紫外分光光度法测量对硝基苯酚, 最大吸附波长320 nm, 以蒸馏水为空白对照液测定各溶液吸光度。

2 结果与讨论
2.1 标准曲线

以蒸馏水为空白对照液测定各溶液的吸光度。配制5 mg· L-1、10 mg· L-1、15 mg· L-1、20 mg· L-1和25 mg· L-1对硝基苯酚溶液, 测定吸光度, 对硝基苯酚标准曲线如图1所示。由图1 可见, 浓度和吸光度满足线性关系式:y=0.065 7x+0.041 1, 相关系数R2=0.999 9, 可以从吸光度求出溶液浓度, 满足关系式的线性范围为(5~25) mg· L-1。

图 1 对硝基苯酚标准曲线Figure 1 Standard curve of p-nitrophenol

2.2 不同活性炭吸附平衡时间

500 mL锥形瓶中加入250 mL浓度20 mg· L-1对硝基苯酚溶液, 分别加入木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭粉末0.05 g, 调节振荡器温度25 ℃, 转速140 r· min-1。将锥形瓶放在振荡器中分别振荡10 min、20 min、35 min、65 min、95 min、125 min、155 min、185 min、215 min、245 min、275 min和305 min, 摇动锥形瓶使活性炭分布均匀, 静置5 min, 取10 mL溶液进行离心, 离心转速5 000 r· min-1, 离心时间15 min, 移取上清液, 测定吸光度。木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭吸附平衡曲线如图2所示。

图 2 木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭吸附平衡曲线Figure 2 Adsorption equilibrium curves of wooden activated carbon, coconut activated carbon and coal activated carbon

由图2可见, 250 ℃时, 吸附效果最佳, 随着时间延长, 木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭吸光度越来越小, 逐渐趋于稳定。木质活性炭和椰壳活性炭在215 min时, 吸光度分别为0.185和0.014, 煤质活性炭在245 min时, 吸光度为1.009, 之后间隔30 min的测量中吸光度无明显变化, 表明吸附达到平衡。

2.3 不同活性炭最佳温度

500 mL锥形瓶中加入250 mL浓度为20 mg· L-1对硝基苯酚溶液, 并分别加入木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭粉末0.05 g, 调节振荡器温度分别为25 ℃、30 ℃、35 ℃和40 ℃, 转速140 r· min-1。将锥形瓶置于设定温度的振荡器中振荡, 振荡时间为平衡时间, 取10 mL溶液置于离心机中以转速5 000 r· min-1离心15 min, 取上清液测量吸光度, 根据标准曲线方程和弗罗因德利希吸附等温线方程计算吸附量q和吸附强度。不同温度下木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭对对硝基苯酚吸附效果的影响见图3。由图3可见, 随着温度升高, 活性炭吸附量变小, 25 ℃时, 吸附量最大, 吸附效果最好。

图 3 不同温度下木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭对对硝基苯酚吸附效果的影响Figure 3 Influence of different temperatures on adsorption effects of p-nitrophenol on wooden activated carbon, coconut activated carbon and coal activated carbon

2.4 不同活性炭吸附效果

量取100 mL初始浓度20 mg· L-1对硝基苯酚溶液于250 mL锥形瓶, 分别加入木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭粉末0.01 g、0.03 g、0.05 g、0.07 g、0.10 g和0.15 g。将混合液置于25 ℃恒温震荡器, 分别震荡215 min、215 min和245 min, 取10 mL溶液置于离心机中以转速5 000 r· min-1离心15 min, 取上清液, 测定吸光度, 根据标准曲线方程求出平衡浓度, 作吸附等温线。木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭吸附等温线如图4所示。

图4 木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭吸附等温线Figure 4 Adsorption isothermals of wooden activated carbon, coconut activated carbon and coal activated carbon

由图4可以看出, 木质活性炭用量不同时, 平衡浓度ce和吸附量q关系式为:q=52.391 ce0.7007, R2=0.978 8, 平衡浓度1 mg· L-1时, 吸附量为52.391 mg· g-1, 吸附强度为0.700 7, 属于较易吸附的活性炭。

椰壳活性炭用量不同时, 平衡浓度ce和吸附量q关系式为:q=235.49 ce1.2016, R2=0.957 4, 平衡浓度1 mg· L-1时, 吸附量为235.49 mg· g-1, 吸附强度为1.201 6, 属于较易吸附的活性炭。

煤质活性炭用量不同时, 平衡浓度ce和吸附量q关系式为:q=0.003 2 ce3.295, R2=0.957, 平衡浓度1 mg· L-1时, 吸附量为0.003 2 mg· g-1, 吸附强度为3.295, 属于较难吸附活性炭。

2.5 不同活性炭吸附效果评价

木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭吸附量如图5所示。

图 5 木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭吸附量Figure 5 Adsorption capacities of wooden activated carbon, coconut activated carbon and coal activated carbon

由图5可见, 椰壳活活性炭、煤质活性炭和木质活性炭的吸附量分别为0.872 9 mg· g-1、0.842 5 mg· g-1、0.517 3 mg· g-1, 椰壳活性炭吸附量最大。

木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭吸附强度分别为0.904.4、0.979 0和0.996 1。

吸附强度和吸附量顺序为:椰壳活性炭﹥煤质活性炭﹥木质活性炭, 表明椰壳活性炭吸附效果最好, 煤质活性炭其次, 木质活性炭最差。

木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭平均价格分别为5 280 元· t-1、9 490元· t-1和4 390 元· t-1。虽然椰壳活性炭吸附效果最好, 但价格最高, 综合考虑, 选择煤质活性炭吸附对硝基苯酚。

3 结 论

(1) 分别取木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭0.05 g对250 mL浓度20 mg· L-1对硝基苯酚溶液进行吸附, 25 ℃时, 吸附效果最佳。浓度与吸光度符合线性关系, 关系式为:y=0.065 7x+0.041 1, 相关系数R2 =0.999 9。

(2) 木质活性炭、椰壳活性炭和煤质活性炭吸附量分别为0.872 9 mg· g-1、0.842 5 mg· g-1和0.517 3 mg· g-1, 吸附强度分别为0.904 4、0.979 0和0.996 1。吸附强度和吸附量顺序为:椰壳活性炭﹥煤质活性炭﹥木质活性炭, 椰壳活性炭吸附效果最好, 煤质活性炭其次, 木质活性炭最差。综合考虑, 选择煤质活性炭吸附对硝基苯酚。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 王卫平, 郑正, 马艳, 等. 活性炭纤维对水中3, 4-二氯苯胺的吸附行为[J]. 农业环境科学学报, 2009, 28(2): 157-160.
Wang Weiping, Zheng Zheng, Ma Yan, et al. Sorption of aqueous 3, 4-dichloroaniline by activated carbon fiber[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2009, 28(2): 157-160. [本文引用:1]
[2] 谢红梅, 张丽, 许尊炼, 等. 活性炭脱除废水中对硝基苯酚的研究[J]. 安徽农业科学, 2009, 35(19): 9107-9109.
Xie Hongmei, Zhang Li, Xu Zunlian, et al. Study on the removal of p-nitrophenol in wastewater with activated carbon[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2009, 35(19): 9107-9109. [本文引用:1]
[3] 唐登勇, 郑正, 郭照冰. 活性碳纤维吸附处理对硝基苯酚生产废水[J]. 化工环保, 2009, 29(3): 239-241.
Tang Dengyong, Zheng Zheng, Guo Zhaobing. Treatment of p-nitrophenol production wastewater by activated carbon fiber adsorption[J]. Environmental Protection of Chemical Industry, 2009, 29(3): 239-241. [本文引用:1]
[4] 于福新, 张海朗, 张良波. 超声波降解对硝基苯酚的研究[J]. 环境科技, 2007, 20(4): 17-19.
Yu Fuxin, Zhang Hailang, Zhang Liangbo. Study on degradation of p-nitrophenol in aqueous solution by the ultrasound[J]. Jiangsu Environmental Science and Technology, 2007, 20(4): 17-19. [本文引用:1]
[5] 张惠灵, 郑利祥, 徐亮, 等. 微波强化内电解对含对硝基苯酚废水的处理[J]. 武汉科技大学学报(自然科学版), 2007, 30(6): 632-635.
Zhang Huiling, Zheng Lixiang, Xu Liang, et al. Microwave-enhanced internal electrolysis treatment of p-nitrophenol wastewater[J]. Journal of Wuhan University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2007, 30(6): 632-635. [本文引用:1]
[6] Peretti S W, Tompkins C J, Goodall J L, et al. Extraction of 4-nitrophenol from 1-octanol into aqueous solution ina hollow fiber liqu id contactor[J]. Journal of Membrane Science, 2002, 195(2): 193-202. [本文引用:1]
[7] 袁敏, 罗建成, 侯俊然, 等. 紫外分光光度法测定链霉菌NG-715抗真菌组分的含量[J]. 中国生化药物杂志, 2014, 34(4): 169-174.
Yuan Min, Luo Jiancheng, Hou Junran, et al. UV spectrophotometric determination of the antifungal component produced by streptomyces NG-715[J]. Chinese Journal of Biochemical Pharmaceutics, 2014, 34(4): 169-174. [本文引用:1]