摘要：研究了果殼活性炭對(duì)廢水中苯酚的吸附特性，考察了接觸時(shí)間、溫度、pH值對(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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(jiǎn)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(guó)環(huán)保部門和美國(guó)國(guó)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(duì)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(duì)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(tái)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�。�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�。�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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)苯酚的吸附量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見圖1。
圖1的結(jié)果顯示，果殼活性炭對(duì)苯酚的吸附量在試驗(yàn)初期隨吸附時(shí)間的延長(zhǎng)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(jí)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)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(jí)方程 | 準(zhǔn)二級(jí)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(jí)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(jí)方程中的平衡吸附量qe。與實(shí)際測(cè)得的qe數(shù)據(jù)非常接近，因此，在本試驗(yàn)檢測(cè)范圍內(nèi)，準(zhǔn)二級(jí)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(duì)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(duì)苯酚的平衡吸附量變化趨勢(shì)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(duì)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(duì)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(duì)苯酚的吸附等溫線。
由圖3可知，果殼活性炭對(duì)苯酚的平衡吸附量隨溫度降低略有升高的趨勢(shì)，但總體來說，溫度對(duì)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(duì)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L(zhǎng)angmuir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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)苯酚的吸附速率很快，約6h即已趨于平衡；準(zhǔn)二級(jí)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(duì)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(duì)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(duì)苯酚的吸附規(guī)律。