摘要：研究了果殼活性炭對廢水中苯酚的吸附特性，考察了接觸時(shí)間、溫度、pH值對吸附效果的影響，繪制了吸附等溫線和動(dòng)力學(xué)曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：果殼活性炭對苯酚的吸附約6h即已趨于平衡，去除率達(dá)到96.63%。該吸附過程受溫度影響不顯著；溶液pH值對吸附量影響較大，酸性至中性條件下苯酚的吸附效果更佳。在給定吸附劑濃度條件下，Langmuir和Freundlich吸附等溫式均能較好擬合平衡吸附數(shù)據(jù)，動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)則與Lagergren準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程的擬合度較佳。
果殼活性炭是一種優(yōu)良的吸附劑，它選用優(yōu)良杏殼、核桃殼、棗殼等果殼為原料，采用炭化、活化、過熱蒸汽催化等工藝精制加工而成，具有孔隙發(fā)達(dá)、比表面積巨大、化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性較好、原料充足等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此其吸附速度快、容量大，吸附后固液分離簡單、不存在二次污染，在飲用水凈化及廢水的深度處理方面，果殼活性炭具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。
苯酚是重要的化工原料，也是水體中常見的污染物，因其毒性大已被我國環(huán)保部門和美國國家環(huán)保署等機(jī)構(gòu)列為優(yōu)先污染物。含苯酚廢水的無害化處理是當(dāng)前環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的重要課題之一， 眾多研究者為此做出了卓有成效的努力。本文以果殼活性炭為吸附劑，對其吸附水溶液中苯酚的特性進(jìn)行試驗(yàn)，考察了接觸時(shí)間、溫度、pH值對吸附效果的影響，以期為果殼活性炭處理含苯酚廢水提供參考數(shù)據(jù)。
1 材料與方法
1.1 主要試劑與材料
果殼活性炭采用我們波濤凈水材料有限公司（碘值≥900~1000mg/g)，使用前用蒸餾水反復(fù)洗滌，置于烘箱在100℃左右烘20h，過篩，取20~40目顆粒，放入具塞廣口試劑瓶中，貯于干燥器中備用。苯酚、NaOH和鹽酸均為分析純。
1.2 主要儀器
UV-1600紫外可見分光光度計(jì)，THZ-C臺式恒溫振蕩器，PHS-501微機(jī)酸度計(jì)。
1.3 試驗(yàn)水質(zhì)
試驗(yàn)采用苯酚模擬廢水。準(zhǔn)確稱取（1.0000±0.0005）g苯酚溶于1L蒸餾水中，配置成苯酚質(zhì)量濃度為1000mg/L標(biāo)準(zhǔn)溶液，再稀釋至試驗(yàn)所需的濃度。
1.4 試驗(yàn)方法
準(zhǔn)確稱取（0.5000±0.0005）g吸附劑置于100mL具塞錐形瓶中，加入50.00mL不同濃度的苯酚模擬廢水，于振蕩器中恒溫振蕩（轉(zhuǎn)速為150r/min）10h，過濾，用紫外分光光度計(jì)在275nm處測定溶液中苯酚的平衡濃度。除溫度影響試驗(yàn)外，其它單因素試驗(yàn)均在25℃進(jìn)行；除pH值影響試驗(yàn)用NaOH和HCl溶液調(diào)節(jié)溶液pH值外，其余試驗(yàn)均不調(diào)pH值。
單位吸附劑的平衡吸附量qe按下式計(jì)算：
qe=（Co- Ce）V/M
式中：qe—單位吸附劑的平衡吸附量，mg/g；
Co—溶液中苯酚的初始質(zhì)量濃度，mg/L；
Ce—濾液中苯酚的質(zhì)量濃度，mg/L；
V—苯酚溶液的體積，L；
M—吸附劑用量，g。
2 結(jié)果與討論
2.1 果殼活性炭與常用吸附劑的吸附性能比較
活性炭的優(yōu)良吸附性能眾所周知，然而因其價(jià)格較高，促使許多研究者積極地尋求其它替代方案。本試驗(yàn)在溫度為25℃、溶液中苯酚的初始質(zhì)量濃度為50mg/L、吸附劑投加量為0.5g、吸附時(shí)間為10h條件下比較了果殼活性炭與蛭石、氧化鋁、天然沸石、紅壤、硅膠、硅藻土等6種常用吸附劑對苯酚的吸附性能，結(jié)果見表1。
表1 7種吸附劑吸性能的比較
| 吸附劑 | 苯酚去除率/% | 吸附劑 | 苯酚去除率/% |
| 果殼活性炭 | 96.63 | 紅壤 | 2.11 |
| 蛭石 | 2.48 | 硅膠 | 1.94 |
| 氧化鋁 | 2.92 | 硅藻土 | 2.33 |
| 天然沸石 | 1.09 |
由表1可知：果殼活性炭的吸附性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于其它6種常用吸附劑。果殼活性炭的苯酚去除率可高達(dá)96.63%，而其它6種吸附劑的苯酚去除率均不到3%。綜合考慮果殼活性炭的價(jià)格及吸附性能，該材料不失為一種性價(jià)比高、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)良吸附劑。因此，深入研究果殼活性炭對廢水中苯酚的吸附特性具有一定的實(shí)用意義。
2.2 吸附動(dòng)力學(xué)特性
在溫度為25℃、溶液中苯酚的初始質(zhì)量濃度為200mg/L、吸附劑投加量為0.5g條件下，果殼活性炭對苯酚的吸附量隨時(shí)間的變化趨勢見圖1。
圖1的結(jié)果顯示，果殼活性炭對苯酚的吸附量在試驗(yàn)初期隨吸附時(shí)間的延長急劇上升，60min即可達(dá)到吸附平衡值的70%以上；后期吸附量趨于穩(wěn)定，約6h時(shí)吸附即已趨于平衡。為確保吸附達(dá)到平衡，平衡吸附試驗(yàn)中均采用10h振蕩時(shí)間。
分別用Elovich、Lagergren準(zhǔn)一級和準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程對果殼活性炭吸附苯酚的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2。
表2 不同動(dòng)力學(xué)方程參數(shù)估計(jì)值
| Elovich方程 | 準(zhǔn)一級方程 | 準(zhǔn)二級方程 | ||||||
| q=a+b lnt | ln(qe-q)=lnqe-k1t | t/p=1/(k2qe2)+t/qe | ||||||
| a | b | R2 | qe | k1 | R2 | qe | k2 | R2 |
| 1.735 | 2.249 | 0.9234 | 3.93 | 0.0031 | 0.6083 | 16.42 | 0.0036 | 0.9996 |
從表2中可知，Lagergren準(zhǔn)二級方程擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)平方值R2接近于1，遠(yuǎn)大于其它2個(gè)方程的R2值，且準(zhǔn)二級方程中的平衡吸附量qe。與實(shí)際測得的qe數(shù)據(jù)非常接近，因此，在本試驗(yàn)檢測范圍內(nèi)，準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度是較佳的。
2.3 pH值對吸附的影響
在溫度為25℃、溶液中苯酚的初始質(zhì)量濃度為100mg/L、吸附劑投加量為0.5g、吸附時(shí)間為10h條件下，改變?nèi)芤浩鹗紁H值，果殼活性炭對苯酚的平衡吸附量變化趨勢見圖2。
由圖2可知，當(dāng)溶液pH＜7時(shí)，平衡吸附量變化不大，pH值對吸附影響不顯著；當(dāng)pH＞7時(shí)，平衡吸附量隨pH值的加大而迅速降低。這可能是因?yàn)楸椒釉谒嵝灾林行运芤褐兄饕苑肿訝顟B(tài)存在，與果殼活性炭表面的親和力較大，有利于吸附；而在堿性水溶液中則主要以離子狀態(tài)存在，與水的親和力大而不利于吸附。因此，利用果殼活性炭去除廢水中的苯酚應(yīng)在酸性至中性溶液中進(jìn)行，以達(dá)到較佳吸附效果。
2.4 溫度對吸附的影響
圖3所示為吸附劑投加量0.5g、吸附時(shí)間10h，10、25、40℃3種溫度下果殼活性炭對苯酚的吸附等溫線。
由圖3可知，果殼活性炭對苯酚的平衡吸附量隨溫度降低略有升高的趨勢，但總體來說，溫度對該吸附體系的影響不顯著。這表明，用果殼活性炭吸附去除廢水中的苯酚基本不受環(huán)境溫度的影響。
采用Langmuir方程和Freundlich方程分別對等溫吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，相關(guān)參數(shù)列于表3。
表3 Langmuir方程和Freundlich方程的擬合參數(shù)
| Langmuir方程 | Freundlich方程 | |||||
| Ce=qmCe/qe-KL | lnqe=lnkF+(1/n)lnCe | |||||
| t/℃ | qm/(mg·g-1) | KL | R2 | n | kF | R2 |
| 10 | 24.681 | 0.1739 | 0.991 | 2.228 | 4.931 | 0.968 |
| 25 | 24.419 | 0.1903 | 0.992 | 2.410 | 5.174 | 0.970 |
| 40 | 23.707 | 0.1517 | 0.983 | 2.278 | 4.680 | 0.993 |
注：qm和KL為Langmuir方程參數(shù)，qm代表單位吸附劑的飽和吸附量；n和kF為Freundlich方程參數(shù)；R為線性相關(guān)系數(shù)。
從表3可以看出，不同溫度條件下果殼活性炭對苯酚的等溫吸附數(shù)據(jù)與Langmuir方程和Freundlich方程的擬合度都比較高，線性相關(guān)系數(shù)的平方值R2均大于0.96。在給定的吸附劑濃度下估算的飽和吸附量qm值用于比較不同溫度下果殼活性炭對苯酚的吸附能力具有一定參考價(jià)值，表3中數(shù)據(jù)顯示qm值隨溫度升高而逐漸減小，但差別不大，該結(jié)果與圖3的結(jié)論一致。
3 結(jié)論
(1)在與6種常見吸附劑對苯酚吸附的比較試驗(yàn)中，果殼活性炭顯示出了顯著優(yōu)于其它6種吸附劑的優(yōu)良吸附性能。
(2)果殼活性炭對苯酚的吸附速率很快，約6h即已趨于平衡；準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度較佳，R2=0.9996。
(3)溫度對果殼活性炭吸附性能的影響不顯著；在堿性條件下，苯酚的吸附量隨pH值的加大而迅速降低，酸性至中性條件下苯酚的吸附效果更佳。
(4)在給定吸附劑濃度條件下，果殼活性炭對苯酚的等溫吸附數(shù)據(jù)與Langmuir和Freundlich方程的擬合度均比較高，R2均大于0.96，2種模型都能較好地描述果殼活性炭對苯酚的吸附規(guī)律。