污泥活性炭去除废水中刚果红的工艺研究

胡志强，王 康，盛 蒂，程 贝，胡 畔

(蚌埠学院 化学与环境工程系，安徽 蚌埠 233030)



污泥活性炭去除废水中刚果红的工艺研究

胡志强，王 康，盛 蒂*，程 贝，胡 畔

(蚌埠学院 化学与环境工程系，安徽 蚌埠 233030)

以城市污水处理厂污泥为原料，采用KOH浸渍、微波加热制备污泥活性炭。通过单因素试验探讨了废水pH值、吸附温度、固液比、吸附时间等对污泥活性炭去除废水中刚果红的影响，并采用正交试验得出污泥活性炭对废水中刚果红去除的最佳条件。研究结果表明：在pH=6.5、吸附温度30 ℃、固液比12 g/L、吸附时间60 min的条件下，污泥活性炭对废水中刚果红去除效果最佳，去除率可达71.9%。

污泥活性炭；刚果红；去除率

刚果红(Congo Red, CR)是印染废水中的一种溶解性双偶氮染料，在造纸工业中用量颇大。目前处理印染废水的常用方法有：化学混凝法、化学氧化法、生物处理法、吸附法等[1-2]。其中活性炭吸附法对去除溶解性有机染料有很好的效果，但活性炭的成本高，不能广泛使用[3]。因此，为降低吸附剂的生产成本，利用废弃材料生产新型吸附剂成为近年来研究的热点之一[4]。城市污水处理厂剩余污泥中含有的有机物和腐殖质等是一种可利用的资源，通过一定方法热解处理，可将污泥制备成含碳吸附剂[5-7]。利用城市污水处理厂污泥制备活性炭，在废水处理中具有较好的吸附效果[8-10]。本研究以城市污水处理厂的污泥为原料，利用KOH活化方法制备污泥活性炭，研究了废水pH值、吸附温度、固液比、吸附时间对模拟废水中刚果红去除的影响，为污泥活性炭用于印染废水处理工业化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

仪器：电热鼓风干燥箱(DHG-9053A型，上海风棱实验设备有限公司)；回旋式振荡器(HY-5型，金坛市宏华仪器厂)；微波炉(JOYN-J1-3型，上海乔跃有限公司)；循环式多用真空泵；电子万用电炉；PHS-3C型pH计；水浴恒温振荡器；低速离心机；紫外-可见分光光度计。

试剂：刚果红、HCl、NaOH、KOH，均为分析纯。

1.2 污泥活性炭的制备

取一定量的污泥铺于托盘中，放入干燥箱中105 ℃烘3.5 h，取出，冷却，研磨，过10目筛，备用。称取10 g研磨过筛后的干污泥于100 mL烧杯中，按固液比(污泥质量与KOH溶液体积比)1：1.5，用0.4 mol/L KOH溶液加盖浸泡24 h，抽滤，并取其滤渣于坩埚中，加盖，放入额定功率为850 W的微波炉中加热420 s，取出冷却，用沸水充分浸洗2次，再用3 mol/L稀盐酸洗3次，最后用蒸馏水多次洗涤直至pH>5，然后在干燥箱中于120 ℃下烘24 h，即得污泥活性炭，过150目筛后放入干燥瓶中，密封保存，备用。

1.3 吸附实验

采用静态吸附实验，配制刚果红溶液，在室温下放置1～2天，直至其吸光度保持不变；分别向一系列具塞锥形瓶中加入5.0 mg/L的刚果红溶液50 mL，调整刚果红溶液pH值、污泥活性炭投加量、吸附温度、吸附时间等参数，控制某一变量时，其他参数相同，将具塞锥形瓶放入回旋式振荡器，控制150 r/min的振荡速度，到达吸附时间后取出，在转速为3000 r/min离心机中离心30 min，取上层清液(以蒸馏水作为参比溶液)测定吸光度，计算刚果红的去除率。

1.4 分析方法

采用可见分光光度法在498 nm处分别测定刚果红溶液的吸光度值确定刚果红的浓度[11]。根据测定结果，计算相应去除率。去除率计算公式如下：

式中：D-去除率，%；C0-初始时CR溶液浓度，mg/L；Ct-吸附平衡时CR溶液浓度，mg/L。

2 结果与分析

2.1 pH值对污泥活性炭去除废水中刚果红的影响

取50 mL废水样置于6个干燥具塞锥形瓶中，用盐酸或氢氧化钠调节溶液pH值分别为4、5、6、7、8和9，水样中刚果红的浓度均为5.0 mg/L，另加入0.50 g粒径为150目的污泥活性炭；将锥形瓶置于温度为30 ℃、振速为150 r/min的回旋式振荡器中振荡60 min后，将水样置于转速为3000 r/min离心机中离心30 min；取其上层清液测其吸光度，计算去除率，结果如图1所示。

图1 废水pH值对刚果红去除率的影响

从图1可以看出，pH在4～9范围内，随pH值不断增大，去除率先增大后减小，约在pH=6.5时，去除率达到最大值；在pH=4时，去除率为52.4%，高于pH=8时的去除率，这说明酸性环境有利于污泥活性炭对染料废水的去除；而在7～9范围内，随pH值继续增大，且刚果红离解带负电荷，溶液中存在的质子不断减少，能中和的离解带负电荷的刚果红减少，即对刚果红的去除不断减少，从而去除率不断降低[12]。因此，最佳溶液pH=6.5，后续试验均在该pH值下进行。

2.2 吸附温度对污泥活性炭去除废水中刚果红的影响

保证其他条件不变(pH=6.5，活性炭粒径为150目，投加量均为0.5 g，振荡60 min)，设置吸附温度分别为20 ℃、25 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，测其吸光度，计算去除率，结果如图2所示。

图2 吸附温度对刚果红去除率的影响

从图2可以看出，在吸附温度为20 ℃～30 ℃范围内，随温度增加，去除率也逐渐增加，说明温度增加有利于吸附进行，即该反应应该是吸热的过程，但当温度在30 ℃～50 ℃，温度对去除效果影响不大，所以该实验温度宜选30 ℃。

2.3 污泥活性炭投加量对废水中刚果红去除的影响

保证其他条件不变(pH=6.5，活性炭粒径为150目，振荡60 min，吸附温度为30 ℃)，使活性炭投加量与刚果红溶液体积比(固液比)分别为2 g/L、6 g/L、10 g/L、14 g/L、18 g/L，测其吸光度，结果如图3所示：

图3 固液比对刚果红去除率的影响

从图3可以看出，在固液比为2～18 g/L范围内，随着固液比不断增加，去除率逐渐上升，这是因为在一定体积的刚果红溶液里，随活性炭投加量的增加，其与刚果红染料有效接触面积增大，同时，活性部位的浓度也不断增大，导致吸附性能增加，去除率增大。但当活性炭投加量与刚果红溶液的体积比达10 g/L以后，随着投加量增加，去除率增加较缓慢，这是因为废水中刚果红不断被吸附，过多的活性炭与刚果红的接触机率减小，可吸附的染料量不断减少，导致去除率增加缓慢。考虑到实际成本，活性炭投加量与刚果红溶液的体积比为10 g/L相对合理。

2.4 吸附时间对污泥活性炭去除废水中刚果红的影响

保证其他条件不变(pH=6.5，活性炭粒径为150目，投加量均为0.5 g，吸附温度为30 ℃)，改变振荡(吸附)时间分别为20 min、40 min、60 min、80 min、100 min，测其吸光度，结果如图4所示。

2.5 污泥活性炭最佳吸附条件的确定

根据单因素实验的结果，选取影响污泥活性炭对废水中刚果红去除有意义的因素水平做正交试验，对结果进行极差分析，以确定最佳的吸附条件。采用L9(34)正交表，以pH值(A)、固液比 (B)、吸附时间(C)、吸附温度(D)作为4个考察因素，选取3个水平进行试验。

图4 吸附时间对刚果红去除率的影响

从图4可以看出，在吸附时间为20～100 min范围内，随吸附时间不断增加，去除率也逐渐呈上升趋势，但是刚开始增加较快，这是因为污泥活性炭与废水长时间接触，反应更充分。而在60 min时吸附接近平衡，去除率增加不明显。考虑到环保与节能，本实验宜选60 min作为吸附时间。

表1 污泥活性炭吸附废水中刚果红L9(34)正交试验的因素水平表

按表1的正交因素水平设计L9(34)正交试验，结果见表2。

由表2知，试验6污泥活性炭对废水中刚果红去除率最大，达到了71.2%，根据极差分析结果可以看出，4个因素对污泥活性炭去除刚果红的影响大小依次为pH值(A)>固液比(B) >吸附时间(C)>吸附温度(D)。4个因素中，pH值和固液比的影响较为显著，其中，pH值的影响最为显著。在实验设计范围内，优化得到泥活性炭去除废水中刚果红的最佳条件为A2B3C2D2，即pH=6.5、污泥活性炭投加量与刚果红溶液的体积比为12 g/L、吸附温度为30 ℃、吸附时间为60 min为最佳条件。

2.6 验证实验

按A2B3C2D2条件进行3次平行实验，即废水溶液pH=6.5、固液比为12 g/L、吸附温度为30℃、吸附时间为60 min，测其吸光度并计算去除率，平均值为71.9%，高于表2中任何一项试验结果，故A2B3C2D2为最佳去除条件。

表2 L9(34)正交试验结果表

3 结论

以污泥为原料制得的活性炭吸附刚果红模拟废水，影响其吸附效果因素顺序为pH值>固液比>吸附时间>吸附温度。本实验采用正交试验法优化得出污泥活性炭对废水中刚果红的最佳去除条件：pH=6.5、固液比12 g/L、吸附温度30℃、吸附时间60 min，得到污泥活性炭对废水中刚果红去除率为71.9%。

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(责任编辑：熊文涛)

Removal of Congo Red from Waste Water by Sludge Activated Carbon

Hu Zhiqiang, Wang Kang, Sheng Di*, Cheng Bei, Hu Pan

(DepartmentofChemistryandEnvironmentalEngineering,BengbuUniversity,Bengbu,Anhui233030,China)

The sludge from a municipal sewage treatment plant was used as raw material to produce activated carbon by potassium hydroxide impregnation method of microwave, and its removal process of Congo red was studied in waste water. The parameters were investigated, including the pH of waste water, the temperature, the solid-liquid ratio, and the adsorption time for the Congo red removal by sludge activated carbon. The optimum conditions determined by orthogonal experimental design were the pH of waste water of 6.5, the removal temperature of 30 ℃, the solid-liquid ratio of 12 g/L, and adsorption time of 60 min. Under these conditions, Congo red removal rate could reach 71.9% in the waste water.

sludge activated carbon; Congo red; removal rate

2016-06-17

国家级大学生创新创业训练计划项目(201411305014)；蚌埠学院工程研究中心项目(BBXYGC2013B01)

胡志强(1994- )，男，安徽蚌埠人，蚌埠学院化学与环境工程系学生。

盛 蒂(1980- )，女，安徽淮南人，蚌埠学院化学与环境工程系副教授，博士研究生，本文通信作者。

X705

A

2095-4824(2016)06-0033-04