水处理活性炭吸附性能指标的表征与应用(2)

苯酚在活性炭表面化学吸附的机理仍未有定论,可能的解释是活性炭表面π键与苯酚苯环

之间的色散力[19]或是活性炭表面非酸性氧化基团与苯环之间的电子供给作用[1].但可以肯定的是,此过程和化合物苯环上的π键有着密切关系,且苯环上不同的取代基可能影响活性炭对化合物的吸附能力,如硝基具有吸电子性,可以降低苯环上π键电子云密度,从而增强活性炭对其吸附能力,而羟基则具有推电子性,起到相反的作用.

由图2可见,各类活性炭对于硝基苯的吸附性能顺序均和苯酚值大小顺序相一致,而与碘值没有相关性.且硝基苯的吸附容量均高于苯酚,这证明了活性炭对于该类物质的吸附确与其苯环上的π键有关.对于硝基苯的MCRB结果(图3)也显示,各活性炭发生穿透(5%C0计)顺序均与苯酚值顺序一致,证实了苯酚值的预测价值.

图2 硝基苯吸附等温线

Fig.2 Adsorption isotherms for nitrobenzene

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图3 硝基苯MCRB穿透曲线

Fig.3 MCRB breakthrough curves for nitrobenzene

—□— 上海破碎椰壳炭YK-2 —×— 上海柱形Φ1.5mm —◇— 上海破碎原煤炭 —△— 上海破碎果壳炭专用

活性炭对于苯酚的吸附性能还可能与水中极性有机小分子物质存在一定相关性,说明活性炭表面酸性氧化基团数量对于极性小分子的吸附也有重要影响,氧化基团的增加会降低活性炭对该类物质的吸附性能[1].MTBE(分子量88)水中的溶解度高达51000mg/L,图4显示在2种初始浓度(10,25mg/L)下,各活性炭样本对于MTBE的吸附性能与苯酚值顺序一致.MTBE的MCRB穿透曲线(图5)也进一步显示,苯酚值高的活性炭在处理过程中表现出对MTBE更好的吸附性能.

苯酚值所包含的活性炭表面化学信息对预测此类小分子在活性炭上的吸附有参考价值.

)

g/gm(量附吸gl图4 MTBE吸附等温线 Fig.4 Adsorption isotherms for MTBE

□ 上海破碎原煤炭(10mg/L) △ 上海破碎椰壳炭YK-2(10mg/L)

◇ 上海破碎果壳炭专用(10mg/L)

× 上海柱形炭18#11(10mg/L)

■ 上海破碎原煤炭(25mg/L) + 上海柱形炭

18#11(25mg/L)

▲ 上海破碎椰壳炭

YK-2(25mg/L)

◆ 上海破碎果壳炭专用(25mg/L)

利用苯酚值所蕴涵的这一表面化学信息,还可分析活化过程对活性炭性能的影响.表1显示以木材为原料的活性炭可以比煤炭形成更多的大型中孔(丹宁酸值较高);使用水蒸气活化相比化学法,可以形成更多的小微孔,而中孔较少.同时炭表面的氧化程度也较低,这表现为上海粉状木质炭A和南京林化所粉状木质炭A相比同系列的化学法活化炭,苯酚值相对较高.磷酸活化和

氯化锌活化的活性炭苯酚值差别不大,均可以形成较多的大型中孔(丹宁酸值),说明磷酸活化可以替代氯化锌活化成为一种低污染活化方法.

图5 MTBE的MCRB穿透曲线 Fig.5 MCRB curves for MTBE

—×— 上海破碎椰壳炭YK-2 —▲— 上海破碎果壳炭专用

—◆— 上海破碎原煤炭

2.3 适用范围与应用方法

在应用性能指标时,当在水中含有中、大型有机物分子,孔径分布对吸附影响最大,应首先考虑炭孔径分布对于分子的屏蔽作用,即优先考察丹宁酸和甲基蓝值.当水中仅含有一些小分子有机物时,活性炭的表面化学性质对吸附的影响更大.若水中主要含芳环类或极性小分子,苯酚值可

能比碘值更能反映活性炭的实际吸附性能(图2~图5).此时可按水中分子极性和结构的不同,参考苯酚值或碘值进行选炭.

现有研究[4-

5,8]已用多个小型和中型污染物

分子对上述使用方法的有效性进行了验证.为进一步验证指标数据的适用范围,对于典型的环境激素BPA(分子量228)及表征水中三卤甲烷(THM)等前驱物的腐殖酸(分子量103~105)

进行

3期 张 巍等：水处理活性炭吸附性能指标的表征与应用 293

吸附容量测试.BPA为中、小型分子有机物,水中溶解度低(120mg/L, 25℃),易吸附.故相比活性炭表面化学基团数量,孔径分布对其吸附影响更大,且其分子较甲基蓝小,所以碘值比苯酚值、甲基蓝值更适合预测该类化合物的吸附性能.由图6可见,各炭样对于BPA的吸附性能确与碘值顺序一致.吸附腐殖酸这类大型分子时,孔径分布对吸附占主导影响.图7结果表明,各活性炭对于腐殖酸这类大型分子的吸附能力与丹宁酸值一致,证明了指标数据的适用性和可信性.说明其相比使用其他个别指标更能准确反映活性炭对于水中各类不同大小有机分子的吸附性能,全面体现活性炭在水处理领域的吸附能力.

)

g/gm(量附吸gl图6 BPA吸附等温线 Fig.6 Adsorption isotherms for BPA

图7 腐殖酸吸附等温线

Fig.7 Adsorption isotherms for humic acid

◇

太西柱形炭ZJ-15 □ 上海破碎果壳炭 △ 太西破碎炭8×30

× 上海破碎椰壳炭 - 华辉破碎炭 ○ 新华破碎炭PJ8×30

2.4 应用实例

为进一步验证四指标体系在实际选炭工作中的作用,针对上海焦化厂生化出水进行了选炭实验.焦化生化出水中含有难生物降解杂环化合物及大分子的生化代谢产物,因此选取甲基蓝值和丹宁酸值较大的破碎原煤炭和果壳炭专用,并以此二值均较小的椰壳炭YK-2作为对照.

)gm/L sbA(量附吸rC图8 焦化生化出水吸附等温线

Fig.8 adsorption isotherms for the secondary effluent

from a coking plant

◆ 上海破碎果壳炭专用(UV254) ■ 上海破碎椰壳炭YK-2(UV254)

▲ 上海破碎原煤炭(UV254) ◇ 上海破碎果壳炭专用(CODCr)

□ 上海破碎椰壳炭

YK-2(CODCr)

△ 上海破碎原煤炭(CODCr)

图9 焦化生化出水MCRB穿透曲线 Fig.9 MCRB breakthrough curves for the secondary

effluent from a coking plant

—□— 上海破碎果壳炭专用(UV254) —◇— 上海破碎原煤炭(UV254) —△— 上海破碎椰壳炭YK-2(UV254) —■— 上海破

碎果壳炭专用(CODCr) —◆— 上海破碎原煤炭(CODCr)

由图8可见,不管是UV254还是CODCr,椰壳炭YK-2的吸附等温线明显低于其他2种炭,而原煤和果壳炭的吸附能力相差不大.MCRB结果

(图9)也证实椰壳炭确不适合处理含大分子污染物的焦化废水,果壳炭对于UV254的实际处理能力优于原煤,与丹宁酸值顺序一致,说明该类生化

294 中 国 环 境 科 学 27卷

出水中确含有大分子的杂环物质;而此二炭对于CODCr的处理能力顺序则正好相反,符合甲基蓝值与碘值顺序.在实际处理过程中,可以结合实际情况添加预处理单元,根据处理目的和成本因素选出最佳炭型[20]. 3 结论

3.1 在四指标组成的选炭技术中,碘值可以体现活性炭略>1.0nm微孔的发达程度,甲基蓝值则代表孔径>1.5nm的微孔和中孔发达程度,体现了活性炭对于中、小型分子的吸附性能,而丹宁酸值代表直径>2.8nm左右的中孔数量,表示对一些大型染料分子和天然大分子的吸附性能. 3.2 苯酚能到达1.0nm以内的微孔,同时可体现活性炭表面化学信息,表征活性炭对于小分子芳环类和极性有机物的吸附能力.

3.3 不同的活化方式对于活性炭性能将产生巨大影响.使用水蒸气活化相比化学法,可以 …… 此处隐藏：3552字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……