微波裂解垃圾固体残留物吸附含酚废水研究

王 涛，李 敏，陈 虹，黄文恒

（1．四川理工学院材料与化学工程学院，四川 自贡643000；2．内江师范学院化学与生命科学学院，四川 内江641112）

微波裂解垃圾固体残留物吸附含酚废水研究

王 涛1，李 敏1，陈 虹1，黄文恒2

（1．四川理工学院材料与化学工程学院，四川 自贡643000；2．内江师范学院化学与生命科学学院，四川 内江641112）

利用垃圾微波裂解后固体残留物中的活性炭成分进行含酚废水的吸附试验，考察了垃圾用量、吸附时间、吸附温度、pH值等因素对吸附效果的影响。实验结果表明，垃圾用量为10g，吸附温度25℃，pH值为6．20，振荡吸附时间3．5h的条件下，苯酚吸附效果达到最佳，苯酚在固体残留物上的吸附符合Freundlich等温吸附模型，其吸附动力学行为符合一级动力学方程式，属于内扩散控制过程。

含酚废水；微波裂解；吸附动力学；活性炭

含酚废水是一种污染范围极广的工业废水，酚类化合物是一种原质型毒物，对一切生物个体都有毒害作用，酚的毒性能大大抑制水中微生物的生长速度，影响水的生态平衡，使用含酚废水灌溉农田，也会影响作物生长，危及人体健康，因此研究出含酚废水处理方法［1～3］在环保和工业中具有一定的参考价值。

目前含酚废水的处理方法有很多，如溶剂萃取法、活性污泥法、吸附法、厌氧法、化学法、电化学法等，其中吸附法是处理含酚废水的有效方法之一。活性炭对含酚废水具有良好的吸附效果［4～6］，但是其昂贵的价格增加了废水处理的成本，因而限制了其广泛应用，固体垃圾经微波裂解后得到可再利用的裂解气和残余固体，残余固体中含有50%左右的活性炭成分和少量金属离子。本实验以残余固体中的活性炭［7～10］作为吸附剂吸附废水中的酚，并考察了吸附剂的吸附性能，以达到综合利用的目的。

1 实验部分

1．1 实验材料与试剂

苯酚、4-氨基安替比林、铁氰化钾、氨水、氯化铵等分析纯试剂。

1．2 主要实验仪器和设备

UV759型紫外分光光度计，DKA－450A电热恒温振荡水槽，PHS－3C精密酸度计，X射线荧光光谱仪等。

1．3 分析方法

溶液中酚的浓度采用4-氨基安替比林分光光度法［11～12］进行测定。

2 试验结果与讨论

2．1 吸附时间对吸附效果的影响

于8个锥形瓶中分别加入10 mg·L－1苯酚溶液100 mL和10 g垃圾炭粉末，25℃恒温振荡，分别吸附1．0、1．5、2．0、2．5、3．0、3．5、4．0和4．5 h后取样测定溶液中苯酚的剩余浓度，作吸附时间与吸附量关系图。

图1 吸附时间对吸附效果的影响

由图1可以看出，随着吸附时间的增加，垃圾炭粉末对苯酚的吸附量逐渐升高，当吸附时间达3．5h时，苯酚在垃圾炭上的吸附基本达到平衡，实验吸附平衡时间取3．5 h。

2．2 垃圾炭最佳用量的选择

分别取10 mg·L－1苯酚溶液100 mL加入到8个250 mL锥形瓶中，再加入4．00 g、5．00 g、6．00 g、7．00 g、8．00 g、9．00 g、10．00 g和11．00 g垃圾炭粉末，在25℃条件下恒温振荡3．5 h后测定溶液中苯酚的剩余浓度，做垃圾用量与剩余苯酚浓度之间的关系图。

图2 垃圾用量对吸附效果的影响

由图2所示随着垃圾炭粉末用量的增加，吸附反应进行较快，酚去除率上升，溶液中苯酚剩余浓度下降明显，当垃圾炭用量达10 g时，酚去除率可达84．24%，进行二次吸附后即可达到国家排放标准，实验确定垃圾炭最佳用量为10 g。

2．3 吸附等温线

取6个锥形瓶分别加入10 mg·L－1苯酚溶液100 mL和不同量的垃圾炭粉末，放入恒温水浴震荡槽在25℃、30℃、35℃和40℃下分别吸附3．5 h，做吸附量与平衡苯酚浓度的关系图。

图3 苯酚溶液等温吸附线

从图3可知一定范围内垃圾炭对苯酚的吸附量随着溶液中苯酚平衡浓度的增加而增加，该吸附剂对高浓度的含酚废水有较大的吸附量，效果更明显。我们选用常用的Langmuir吸附等温式进行分析：

（1）Langmuir吸附等温线

Langmuir吸附等温方程［13］的形式如下：

式中：qe—平衡吸附量，mg·g－1；Ce—为平衡浓度，mg·L－1；qm—为饱和吸附量，mg·g－1；Kb—为结合常数，L·mg－1。

将图3所示的实验数据进行Langmuir线性拟合，其结果如表1所示。

表1 Langmuir拟合方程及参数

由表中数据可以看出Langmuir吸附模型有较好的拟合效果，线性拟合度均在0．98以上，平衡吸附量随温度增加而增大，吸附为单分子层吸附。

2．4 最佳pH的选择

分别取10 mg·L－1苯酚溶液100 mL加入8个锥形瓶中，调节各苯酚溶液的pH值分别为3．60、4．45、5．20、6．20、7．20、8．20、9．15和10．00， 然后加入定量垃圾炭粉末，于25℃条件下恒温振荡3．5 h，测定各pH下溶液的吸光度并计算苯酚的剩余浓度，做pH值与苯酚去除率之间的关系图（图4）。

从图4可以看出苯酚溶液pH值为3．60时的去除率最高，达到80．74%，其次是溶液pH值为4．45和6．20时都达到了80．47%。根据金属离子荧光分析测定报告可知，之所以出现如图4所示的不规律变化，是由于在不同酸碱条件下，碳含量发生了变化，另外当溶液呈酸性和碱性时，垃圾粉末中的Ba元素含量增加，垃圾在进行深度处理时对环境会造成二次污染，溶液中加入酸碱溶液，会腐蚀实验设备，增加设备费用，因此通过对比分析确定pH＝6．20为最佳吸附pH值，可近似认为最佳pH条件为中性。

图4 苯酚去除率与溶液pH值关系曲线

3 吸附动力学研究

在13个烧杯中分别加入10 mg·L－1苯酚溶液100 mL和最佳量垃圾炭粉末，分别在25℃和30℃条件下恒温振荡，做吸附时间与苯酚剩余浓度的关系图，同理再对20 mg·L－1、30 mg·L－1和40 mg·L－1苯酚溶液进行研究。

图525 ℃溶液静态吸附动力学曲线

图630 ℃溶液静态吸附动力学曲线

把10 mg·L－1苯酚溶液分别在298K和303K下测得的相关数据代入一级动力学方程式［13］：

lnCt=lnC0-kt（3）

式中：C0、Ct分别为初始质量浓度和时间时的质量浓度，mg·L－1；k为吸附速率常数，min－1。 以lnCt对t进行线性拟合，拟合方程及参数如表2所示。

表2 动力学拟合方程及参数

由lnCt对t的线性关系可知，苯酚在垃圾粉末上的吸附符合一级吸附规律，把相关数据代入阿累尼乌斯方程［13］：

求得活化能Ea＝50．82 kJ·mol－1， 据文献［14］报道，苯酚在活性炭上的吸附活化能为36．84～51．46 kJ·mol－1，由此可知苯酚在垃圾粉末上的吸附较易进行。

把10 mg·L－1苯酚溶液在298K和303K下测得的相关数据代入内扩散公式［15］：

式中：Qt为t时间下苯酚的吸附量，mg·g－1；K为内扩散系数，mg·min－0．5·g－1；以lgQt对lgt进行线性拟合，拟合结果如表3所示。

表3 内扩散拟合方程及参数表

同样把相关数据代入外扩散公式［15］：

式中：Qe为苯酚溶液的平衡吸附量，mg·g－1；K0为外扩散系数，mg·min－0．5·g－1；以-ln对t进行线性拟合，拟合结果如表4所示。

表4 外扩散拟合方程及参数

从表3和表4可知苯酚在垃圾炭粉末上的扩散以内扩散控制为主，内扩散速率决定了整个吸附过程的总扩散速率。

4 结论

在垃圾炭用量10 g左右，吸附温度25℃，振荡时间3．5 h，酸碱度接近中性的条件下，苯酚吸附效果达到最佳状态，吸附过程符合Langmuir等温吸附模型，吸附属于内扩散控制过程。

苯酚溶液的初次吸附浓度虽未达到污水综合排放标准（GB 8978－1996），但通过二次吸附后即达标，这主要是由于垃圾粉末活性炭的微孔未能充分打开，加之在垃圾微波裂解时可能吸附了其它物质，减少了活性表面，影响了吸附效果，若是实验前先把所用的垃圾炭粉末进行预处理，吸附效果会更好，完全能达到污水综合排放标准，通过后续实验已经进行验证。

用微波裂解垃圾固体残留物吸附含酚废水是一种 “以废治废”的思路，有利于垃圾的综合利用，实验结果可为相关研究提供理论参考。

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Study on Adsorption of Solid Waste with Microwave Pyrolysis for Phenol Wastewater

WANG Tao1，LI Min1，CHEN Hong1，HUANG Wen-heng2
（1．Department of Material and Chemical Engineering，Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000，China；2．College of Chemistry and Life Science，Neijiang Novmal University，Neijiang 641112，China）

The active carbon in the solid waste pyrolysised by micro－waves was applied to the adsorption treatment test of the wastewater with phenol content．The activated carbon dosages，reaction time，reaction temperature，pH value and other factors which influenced the treatment effect of wastewater were studied．The experiment results showed that under the conditions of about 10 g of waste dosage，absorption temperature of 25℃and oscillation time of 3．5 h，the absorption effect of phenol reached its peak，and the absorption of the phenol on the solid waste could be described in a better way by using Freundlich isothermal absorption model．The dynamics behavior was in accordance with the first dynamics formula，and belonged to the internal diffusion control procedure．

phenol wastewater；microwave pyrolysis；adsorption kinetics；activated carbon

X 703

A

1671-9905（2011）06-0049-04

王涛（1983-），男，在读硕士研究生，主要研究方向为化工分离与吸附；E-mail：wt209＠126．com

陈虹（1961-），女，四川安岳人，教授，硕士生导师，主要研究方向为化工传质与分离，E-mail：ch2305＠163．com

2011-03-16