超声协助活性炭去除水中锑的研究

陈臻　吕文英　姚琨

摘要[目的] 探讨在超声波作用下活性炭对锑的处理效果。[方法] 利用超声波协助活性炭处理废水中的锑，研究超声温度、超声时间、吸附温度、吸附时间、pH及活性炭投加量等因素对含锑废水处理效果的影响。以火焰原子吸收光谱法测定锑含量。[结果] 在超声温度为40 ℃，超声时间为20 min，吸附时间为60 min，pH=2，活性炭与锑的比值为1 mg Sb/g活性炭时，锑的去除率可达95.86%。[结论] 超声波对活性炭处理废水中的锑离子有明显的促进作用。

关键词超声； 活性炭； 吸附； 锑； 废水

中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）12-03647-03

基金项目2012年广东省科技计划项目（2012B030800003）。

作者简介陈臻（1988- ），男，广东韶关人，硕士研究生，研究方向：环境化学。

锑及其化合物用途广泛，主要用于生产陶瓷、玻璃、电池、油漆、烟火材料及阻燃剂等，此外还用于生产半导体、红外线检测仪、两极真空管及用作驱虫剂等。随着锑及其化合物的广泛应用，由此引发的环境问题日益严重，国内外对锑污染的研究越来越重视。锑及其化合物被美国EPA列入优先控制污染物，同时也被巴塞尔公约列入危险废物，是日本环境厅密切关注的污染物[1-3]。目前，国内外处理含锑废水的方法主要有化学沉淀法、离子交换法、吸附法、膜过滤法等。吸附法用于物质分离已有较长的历史，常用于去除/回收水中微量污染物，具有高效、简便、选择性好等优点。活性炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积、较多的表面官能团和良好的机械强度，因其广谱的吸附作用而在水处理中获得广泛应用[4-5]，但目前活性炭单独处理含重金属废水的去除率是比较低的[6]，活性炭如何与其他技术联合深度处理工业废水已成为发展趋势。

杨金玲等利用超生波协助活性炭处理含铅废水，废水先经过超声，然后再用活性炭吸附，发现超声波对活性炭处理废水中的铅离子有明显的促进作用[7]。一些学者的研究表明，超声波作用下的饱和吸附量有所下降，吸附等温线小幅下移，但形状基本保持不变[8-11]。一般认为，由于超声波的热效应，超声场中的体系温度有所升高，影响液固吸附平衡关系；且超声波的空化作用引起的局部高温高压等极端条件，即超声波的非热效应，可使吸附质与吸附剂间的键发生断裂，导致吸附相平衡关系发生更大变化[12]。可见，超声波对相平衡关系的影响包括热效应和非热效应两方面。但不同的吸附体系，超声波对吸附过程的强化作用不一致。目前有关超声波对金属离子/活性炭吸附体系作用情况的文献报道较少。Zhou对金在活性炭上的解吸行为研究中引入超声波，发现有乙醇或碱存在时，超声波可以改善金的解吸动力学行为[13]。该研究以Sb为目标污染物，探讨了在超声波作用下活性炭对它的处理效果。

1材料与方法

1.1仪器火焰原子吸收光谱仪（日立Z2000型）；超声波清洗器（AS20500BDTI）；恒温振荡器（常州澳华仪器有限公司）；酸度计（上海精科有限公司）。

1.2试剂活性炭（分析纯）；锑标准溶液（酒石酸锑钾，[C8H4O12Sb2]K2），含锑1 000 μg/ml，介质6 mol/L HCl；临用前以0.3%的硝酸稀释成质量浓度为20 mg/L锑标准应用液，摇匀，备用。

1.3绘制标准曲线取不同量的20 mg/L锑标准应用液，以0.3%的HNO3定容于100 ml容量瓶中，配制成质量浓度分别为0、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0 mg/L的标准系列。按原子吸收光谱所示工作条件，测定锑的吸光度A，并绘制标准曲线，r=0.999 7。

1.4测定项目与方法用去离子水配制含锑2 mg/L的模拟水样，每次取100 ml，进行超声处理，然后置于250 ml锥形瓶中，调节废水pH，加入一定量活性炭，振荡使废水与活性炭充分接触，静置后过滤，测定滤液中锑浓度，计算锑的去除率。

2结果与分析

2.1吸附接触时间的影响取若干份2 mg/L、100 ml Sb溶液，一份先进行超声30 min，控制超声温度40 ℃。超声结束后加活性炭200 mg震荡吸附，调节转速为250 r/min，控制吸附接触时间为10、20、30、40、50、60、90、120 min，测定溶液中剩余Sb浓度，计算Sb的去除率；另一份不经过超声，直接加活性炭进行吸附处理，条件同前，结果见图1。

2.2超声时间的影响准备若干份2 mg/L、100 ml Sb溶液，先不加活性炭，在不同超声温度（30、45、60 ℃）下进行超声处理，处理时间分别为0、10、20、30、40、50、60 min。超声完后各加活性炭200 mg震荡吸附60 min，调节转速250 r/min，结果见图2。

2.3超声温度的影响准备若干份2 mg/L、100 ml Sb溶液，在不同超声温度（30、35、40、45、50、55、60 ℃）下进行超声20 min。超声结束后各加活性炭200 mg震荡吸附60 min，调节转速250 r/min，结果见图3。

2.4吸附温度对吸附效率的影响准备若干份2 mg/L、100 ml Sb溶液，40 ℃下超声20 min，超声结束后各加活性炭200 mg，分别在30、35、40、45、50、55、60 ℃下震荡吸附60 min，震荡转速为250 r/min，吸附结束后，测定溶液中剩余的Sb含量，计算Sb的去除率，结果见表1。

2.5活性炭用量对吸附效率的影响准备若干份2 mg/L、100 ml Sb溶液，40 ℃下超声20 min，超声结束后分别加活性炭50、100、200、300、400、500 mg震荡吸附60 min，震荡转速为50 r/min，吸附结束后，测定溶液中剩余的Sb含量，计算Sb的去除率，結果见图4。

2.6pH對吸附效率的影响准备若干份2 mg/L、100 ml Sb溶液，调节pH为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11，40 ℃下超声20 min，超声结束后各加活性炭200 mg，震荡吸附60 min，震荡转速为250 r/min，吸附结束后，测定溶液中剩余的Sb含量，计算Sb的去除率，结果见图5。

由图5可知，pH对活性炭吸附性能的影响较大。在pH=1～11的范围内，最大吸附去除率对应的pH为1～2，然后随着pH的升高，去除率趋于降低。这是因为溶液pH同时影响吸附剂表面金属吸附位点和金属离子在溶液中的存在形态；在酸性溶液中酒石酸锑钾主要以酸根形式[C8H4O12Sb2]2-存在，且活性炭表面的H+浓度也较大，这引起离子间的强静电吸引反应，锑离子的吸附较好。随着pH增大，由于OH-逐渐增多，且OH-与活性炭的亲和力大于锑酸根离子，活性炭表面的吸附位置被OH-占据，所以吸附量减小[15-16]。因此，试验最佳pH为1～2，考虑到处理成本，选取pH=2为最佳条件。

3结论

研究表明，超声波对活性炭处理废水中的锑离子有明显的促进作用。超声波协助活性炭吸附处理含锑废水时，超声时间为20 min，超声温度为40 ℃，吸附时间为60 min，pH为2，活性炭与锑的比值为1 mg Sb/g活性炭时处理效果最佳，去除率达到95.86%。

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