吸附苯酚活性炭微波辅助溶液再生效果

董文龙，崔龙哲

（1.湖北生态工程职业技术学院林业生态学院，湖北武汉430200；2.中南民族大学资源与环境学院，湖北武汉430074）

吸附苯酚活性炭微波辅助溶液再生效果

董文龙1，崔龙哲2

（1.湖北生态工程职业技术学院林业生态学院，湖北武汉430200；2.中南民族大学资源与环境学院，湖北武汉430074）

分析了pH对颗粒活性炭（GAC）吸附苯酚性能的影响。实验选择质量分数为1%NaOH溶液，采用微波辅助溶液再生的方法，对吸附苯酚的GAC进行再生研究，探讨实验因素对GAC再生效率的影响。实验结果表明：最佳的再生条件为微波功率520 W、再生时间1.5 min、NaOH再生辅助溶液用量10 mL，此时GAC再生效率为95.6%。在最佳再生条件下，经过6次再生后GAC的吸附能力依然很强。

苯酚；活性炭；微波；再生

活性炭是一种优良的吸附剂，在城市饮用水和工业废水处理领域得到广泛使用。然而，吸附饱和后的活性炭如不再生利用，将会造成巨大的资源浪费，而且会造成环境的二次污染。因此寻找高效的活性炭再生方法成为相关学者的重点研究课题。

近年来关于活性炭再生方法的研究层出不穷，其中微波辐照再生以其加热速度快、再生时间短、能耗低等优点受到部分专家学者的认可〔1-2〕。但微波辐照干法再生过程中反应温度过高，容易导致炭量的损失，微孔结构受到破坏〔3〕。而采用酸、碱溶液作为辅助溶液，进行微波辅助溶液湿法再生的研究目前尚未见报道。因此，笔者拟采用微波辅助溶液再生的方法对吸附苯酚后的活性炭进行再生，并分析微波功率、再生时间、再生辅助溶液用量和再生次数等因素对活性炭再生效率的影响。

1 实验部分

1.1 实验仪器

Midea EG823型家用微波炉（改造后）；石英玻璃管再生反应器，定制；Spectrumlab 752s紫外-可见分光光度计，上海棱光技术有限公司；SHA-EA恒温水浴振荡器，常州国华电器有限公司。

1.2 实验材料

苯酚，化学纯，上海试剂一厂；椰壳颗粒活性炭，郑州竹林活性炭开发有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 活性炭预处理

选用椰壳为原料生产的颗粒活性炭（GAC），为粒状活性炭，比表面积大。使用前进行预处理以去除无机杂质等。预处理方法：称取200 g GAC浸没于1 000 mL体积分数为10%的稀盐酸溶液30 h，过滤取出后，在沸水中煮沸30 min，蒸馏水反复清洗至pH为中性，105℃烘干至恒重，冷却后备用。

1.3.2 活性炭的吸附与再生

（1）GAC对苯酚的吸附。准确称取一定量的GAC放入250mL锥形瓶中，加入一定体积的苯酚溶液（质量浓度1 190.5 mg/L），置于恒温（25℃）振荡器中，振荡吸附24 h，使吸附达到平衡。采用紫外-可见分光光度法测定吸附前、后的苯酚含量。GAC对苯酚的吸附量按式（1）计算：

式中：q——吸附达到平衡后GAC对苯酚的吸附量，mg/g；ρ0——吸附前溶液中的苯酚质量浓度，mg/L；ρe——吸附后溶液中的苯酚质量浓度，mg/L；

V——苯酚体积，mL；

m——GAC质量，g。

（2）微波辅助溶液再生。移取吸附苯酚后的GAC，加入石英玻璃管中，同时移取一定量的辅助溶液，摇匀，放在改造的家用微波炉内，设定不同微波功率和再生时间，考察其对GAC再生效率的影响。

（3）再生GAC对苯酚的吸附。GAC再生后放入250 mL锥形瓶中，加入与步骤（1）相同体积及相同质量浓度的苯酚溶液，按步骤（1）重新进行吸附，并按式（1）计算平衡吸附量。

再生效率（%）=再生GAC对苯酚的吸附量/预处理后GAC对苯酚的吸附量×100%

2 结果与讨论

2.1 pH对GAC吸附苯酚性能的影响及再生方法选择

溶液的pH影响苯酚的离解度，当pH达到某个范围时苯酚就发生离解，从而影响GAC对苯酚的吸附效果，同时溶液的pH会影响苯酚的溶解度。

采用（1+1）盐酸和质量分数为20%NaOH溶液调节pH，分别取pH为0.5、3.0、5.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、13.0，其他参数不变。称取9份6.0 g GAC放入9个锥形瓶中，分别加入150 mL已调好pH的苯酚溶液，摇匀，放入25℃恒温振荡器中振荡24 h，测定吸附饱和后的苯酚质量浓度，计算平衡吸附量。pH对GAC吸附苯酚性能的影响如图1所示。

图1 pH对GAC吸附苯酚性能的影响

从图1可见，pH在1~9时GAC对苯酚的吸附量基本无变化，维持在150 mg/g之间；pH在9~13时GAC对苯酚的吸附量迅速下降。原因可能是碱性条件下苯酚的羟基易与碱液反应，生成在水溶液中溶解度较大的酚钠盐，降低了GAC对苯酚的吸附。因此GAC吸附苯酚的不利pH范围为9~13。在GAC微波辅助溶液再生研究中，可以选择碱液进行反应性再生，实验所选碱液为质量分数1%NaOH溶液。

2.2 实验因素对GAC再生效率的影响

2.2.1 再生时间对GAC再生效率的影响

分别称取6份6.0 g预处理过的GAC，放入6个锥形瓶中，然后各倒入150 mL的苯酚溶液，放入25℃恒温振荡器中振荡24 h，分别过滤出吸附饱和后的GAC，同时测定各锥形瓶中的苯酚质量浓度，以计算GAC初始苯酚吸附量。吸附饱和后的GAC各加入10 mL NaOH再生辅助溶液，以再生时间为考察因素进行实验。再生完成后用蒸馏水洗涤数次，调节GAC的pH至弱酸性，烘干，进行吸附实验。再生时间分别为1、1.2、1.5、2、2.5、3 min，微波功率设定为520 W，实验结果如图2所示。

图2 再生时间对GAC再生效率的影响

由图2可以看出，再生时间为1.5 min时GAC再生效率达到最高，为93.9%，这是因为NaOH与吸附的苯酚发生反应，加速了GAC的再生。此后随着再生时间的增加，GAC再生效率开始逐渐下降，这可能是因为再生效率达到最高后，随着再生时间的增加，GAC微孔结构逐渐受到破坏，导致吸附能力下降，同时由于微波辐照GAC温度过高，导致GAC有少量损失，再生效率降低。因此再生实验过程中取再生时间为1.5 min。

2.2.2 微波功率对GAC再生效率的影响

分别称取5份6.0 g预处理过的GAC，放入5个锥形瓶中，然后各倒入150 mL苯酚溶液，放入25℃恒温振荡器中振荡24 h，分别过滤出吸附饱和后的GAC，同时测定各锥形瓶中的苯酚质量浓度，以计算GAC初始苯酚吸附量。吸附饱和后的GAC各加入10 mL NaOH再生辅助溶液，以微波功率为考察因素进行再生实验。再生完成后用蒸馏水洗涤数次，调节GAC的pH至弱酸性，烘干后进行吸附实验。微波功率分别取125、255、390、520、655 W，再生时间设定为1.5 min，结果如图3所示。

图3 微波功率对GAC再生效率的影响

由图3可见，随着微波功率的增大，再生效率迅速增加，当微波功率为520 W时，GAC再生效率达到最高，为95.9%。此后随着微波功率的增加，再生效率开始下降。这可能是因为微波功率过高时GAC内部积累的能量过高，破坏了GAC的微孔结构，实验过程发现GAC表面出现少量“电弧”，烧失了少量炭，导致再生效率降低。因此，微波功率取520 W。2.2.3再生辅助溶液用量对GAC再生效率的影响

NaOH再生辅助溶液考察用量为5、10、20mL。分别称取15份6.0 g GAC放入15个锥形瓶中，然后各倒入150 mL苯酚溶液，放入25℃恒温振荡器中振荡24 h，过滤，同时测定各锥形瓶中苯酚的浓度，计算GAC的初始苯酚吸附量。吸附饱和后的GAC选择5份各加入5 mL NaOH再生辅助溶液，另5份各加入10 mL NaOH再生辅助溶液，剩下5份各加入20 mL NaOH再生辅助溶液，微波功率设定为520 W，进行再生实验。再生完成后用蒸馏水洗涤数次，调节pH至弱酸性，烘干，进行吸附实验。再生时间分别为1、1.5、2、2.5、3 min，实验结果如图4所示。

图4 NaOH辅助溶液用量对GAC再生效率的影响

由图4可见，当NaOH再生辅助溶液用量为5mL时，GAC再生效率不高；随着再生辅助溶液用量的增加，再生效率开始上升。NaOH再生辅助溶液用量为10、20mL时，GAC再生效率相差不大，此时当再生时间较短时，NaOH再生辅助溶液用量为10 mL时的再生效率比20mL时的低，这可能是因为再生时间较短时NaOH溶液与苯酚反应解吸起主要作用，再生辅助溶液用量大的再生效率高。当再生时间较长，再生辅助溶液用量为10 mL时的再生效率比20 mL时的高，这是因为再生时间较长时GAC床层温度过高，有小部分的再生辅助溶液喷出，导致GAC再生不充分。

再生时间为1.5 min时，NaOH辅助溶液的用量对GAC再生效率的影响如表1所示。

表1 NaOH辅助溶液用量对GAC再生效率的影响

由表1可以看出，当NaOH再生辅助溶液用量为10 mL时，GAC再生效率最高为95.6%。因此实验选择NaOH再生辅助溶液用量为10 mL。

2.2.4 再生次数对GAC再生效率的影响

以最佳微波功率520 W、再生时间1.5 min、GAC用量6.0 g和NaOH再生辅助溶液用量10 mL为再生条件，每次再生完成后用蒸馏水洗涤数次，调节pH至弱酸性，烘干进行吸附实验，为1次再生完成。此后进行多次再生实验，考察再生次数对再生效率的影响，结果如图5所示。

图5 再生次数对GAC再生效率的影响

从图5可以看出，经过2次再生后的再生效率比第1次的高，原因可能是苯酚的降解产物在高温下短时间内从GAC孔隙中蒸发时，对孔隙有一定的扩张作用，改善了GAC的孔结构，从而提高了吸附能力。经过6次再生后，GAC的吸附能力变化较小，直到9次再生后GAC再生效率下降得比较厉害。可见再生GAC具有很好的应用价值。

3 结论

（1）考察pH对GAC吸附苯酚性能的影响，确定GAC吸附苯酚的不利pH范围是9~13。在GAC微波辅助溶液再生研究中，选择质量分数为1% NaOH溶液进行反应性再生。

（2）加入NaOH再生辅助溶液进行湿法再生，最佳再生条件为：微波功率520 W、再生时间1.5 min、NaOH再生辅助溶液用量10 mL，此时GAC最佳再生效率为95.6%。在上述最佳再生条件下，经过6次再生后，GAC的吸附能力依然很强。

（3）经实验改进后，辅助溶液再生过程中再生温度较低，GAC的再生效率比干法再生的高，多次再生循环后GAC的吸附能力依然很高。因此，采用微波辅助溶液对GAC进行再生具有很好的应用前景。

［1］Ho T C，Lee Y，Chu H W，et al．Modeling of mercury desorption from activated carbon at elevated temperatures under fluidized/fixed bed operations［J］．Powder Technology，2005，151（1/2/3）：54-60．

［2］Foo K Y，Hameed B H．Microwave-assisted regeneration of activated carbon［J］．Bioresource Technology，2012，119（7）：234-240．

［3］赵浩，董文龙，刘志英，等．活性炭吸附苯酚及其微波辐照再生效果［J］．南京工业大学学报：自然科学版，2010，32（1）：28-32．

Microwave-assisted solution regeneration effect on the activated carbon adsorbed for phenol

Dong Wenlong1，Cui Longzhe2
（1.School of Forestry Ecological，Hubei Ecology Vocational College，Wuhan 430200，China；2.College of Resource and Environment，South-Central University for Nationalities，Wuhan 430074，China）

The influences of pH on the adsorption capacity of granular activated carbon（GAC）for phenol has been analyzed.In the experiments mass concentration 1%of NaOH solution is chosen，and the microwave-assisted solution regeneration method is used in the regeneration research on GAC adsorption for phenol.The influences of the experimental factors on the GAC regeneration efficiency are discussed.The experimental results show that when the optimal regeneration conditions are as follows：microwave power is 520 W，regeneration time 1.5 min，and dosage of NaOH regeneration assisted solution 10 mL，the GAC regeneration rate is 95.6%.Under optimal regeneration conditions，the GAC adsorption capacity is still very strong，even after 6 times of regeneration.

phenol；activated carbon；microwave；regeneration

TQ424.1

A

1005-829X（2016）12-0073-04

董文龙（1983—），硕士，讲师。电话：15671669360，E-mail：dragon_dwl@163.com。

2016-10-20（修改稿）

湖北省环保厅环保科研项目（2013HB03）