活性炭阳离子改性及其在印染废水中的应用

李鲁彪，吴 朗，余德游，吴明华

（1.浙江理工大学材料与纺织学院，浙江杭州310018；2.浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，浙江杭州310018）

随着工业社会的发展，水环境污染已经逐渐破坏了地球的生态平衡，并且加剧了水资源的缺乏，严重威胁到人类的生存环境。水资源缺乏已经成为阻碍我国社会进步和经济发展的重大因素之一,因此，急切需要提高废水处理的技术水平，缓解水资源短缺问题[1-2]。活性炭因具有比表面积大、性质稳定且廉价的优点[3]，已经广泛应用于印染废水的吸附处理。活性炭本身疏水，对极性污染物的吸附性能较差，而印染废水中含有大量的印染助剂和染料，其中大部分为阴离子性污染物，不能被活性炭有效去除[4-6]。目前，国家对印染废水的排放要求更加严格，排放指标由二级指标COD 180 mg/L提高为一级指标50 mg/L，仅采用现有的一般印染废水处理方法，难以达到排放标准要求。为此，本实验采用阳离子改性剂对活性炭进行改性，在活性炭表面引入阳离子基团，以增加其对阴离子（性）物质的吸附。通过研究吸附剂用量、吸附时间及pH，探讨活性炭改性对印染废水的吸附能力及最优吸附条件，以期更有效地去除印染废水的COD。

1 实验

1.1 材料与仪器

二沉池出水口印染废水（COD 221 mg/L，杭州华丝夏莎纺织科技有限公司）；接枝剂WL（自制，环氧丙烷类季铵盐），COD专用耗材LH-D、LH-E（兰州连华环保科技有限公司），氢氧化钠、硫酸、活性炭、邻苯二甲酸氢钾（均为分析纯）。

SHA-B型数显恒温振荡器（常州国华电器有限公司），5B-1（F）型COD快速测定仪（兰州连华环保科技有限公司），PHS-3C型数显酸度计（杭州雷磁分析仪器厂），SHB-ⅢA循环水式多用真空泵（上海豫康科教仪器设备有限公司），DGG-9053A型电热恒温鼓风干燥箱（上海森信实验仪器有限公司），DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器（杭州大卫科教仪器有限公司）。

1.2 活性炭改性

将粉末活性炭用热的去离子水漂洗多次，使用抽滤机除水后在105℃下烘24 h，冷却后密封在储罐中备用。

在恒温恒湿条件下，称取2.00 g活性炭于烧杯中，并依次加入去离子水、接枝剂WL和NaOH。充分搅拌后放入70℃恒温磁力搅拌器中反应35 min。反应结束后抽滤，用去离子水反复清洗（去除吸附在活性炭表面未反应的接枝剂WL和NaOH），于105℃烘箱中烘干后放在恒温恒湿房，静置24 h后称重。

1.3 印染废水的处理及测试

在恒温恒湿条件下，分别称取一定量的吸附剂在锥形瓶中，然后加入100 mL印染废水，用NaOH和硫酸调至一定pH，充分摇匀后放入25℃恒温振荡水浴锅中处理一段时间，静置2 h，取上清液测定COD并计算COD去除率：

式中：COD0为印染废水的初始COD，COD1为经吸附剂处理后的COD。

2 结果与讨论

2.1 印染废水处理工艺对COD的影响

2.1.1 吸附剂用量

如图1所示，随着吸附剂用量的增加，活性炭表面积增大，吸附的污染物增多，COD逐渐降低。当活性炭用量为80 g/L时，COD降到近100 mg/L。继续增加活性炭用量，COD趋于恒定。这可能是印染废水中能被活性炭吸附的污染物已基本除去，当用量在80 g/L时，既能有效吸附污染物，又能节约成本。而当改性活性炭用量小于20 g/L时，随着改性活性炭用量的增加，COD的下降速度很快；当改性活性炭用量为20 g/L时，废水COD可达52 mg/L；继续增加改性活性炭用量时，COD下降缓和并趋于恒定。这是由于活性炭经改性后成阳离子改性活性炭，其表面的阳离子能够有效地吸附废水中带阴离子的极性污染物，最后剩余的是改性活性炭不能吸附的污染物。从以上分析可知，活性炭经阳离子改性后处理废水的效果有明显提高，并且活性炭用量也大幅降低。

图1 吸附剂用量对印染废水COD的影响

2.1.2 吸附时间

如图2所示，随着吸附时间的延长，印染废水的COD均逐渐降低。在最初的2 h内，活性炭处理使COD下降较快（从213降到112 mg/L），说明活性炭在这个时间段大量地吸附印染废水中的污染物。而吸附3 h后，COD虽仍在降低，但降低速度渐缓。这主要是因为活性炭对印染废水污染物的吸附和解吸已达平衡。因此，活性炭处理印染废水的吸附平衡大致为3 h，此时COD为104 mg/L。改性活性炭吸附印染废水初期COD降低速度较快，这主要是离子作用力的缘故，同时说明改性活性炭对印染废水中污染物的吸附还未达到平衡。当改性活性炭吸附超过2 h时，继续延长吸附时间，COD减小缓慢并趋于恒定（54 mg/L）。因此，改性活性炭吸附2 h效果最佳。活性炭经改性后，对印染废水污染物的吸附平衡时间也有所缩短。

图2 吸附时间对印染废水COD的影响

2.1.3 pH

如图3所示，随着pH的增大，印染废水的COD均先减小后增大。当pH=5时，活性炭吸附印染废水的COD最低（104 mg/L）；继续增大废水pH，COD逐渐增大。这是因为在酸性条件下，活性炭表面吸附H+带正电，有利于吸附印染废水中的阴离子污染物，有利于去除活性炭表面的灰分，从而增大孔容积，增强对污染物的吸附能力。因此，活性炭处理印染废水的最适pH为5。对于改性活性炭，当pH=4时，COD最低（12 mg/L）。这是因为pH会影响改性活性炭及废水中污染物的带电性，从而影响两者之间的吸附力。因此，改性活性炭处理印染废水的最适pH为4。

图3 pH对印染废水COD的影响

2.2 吸附剂处理印染废水的效果

吸附剂处理印染废水的COD去除率见表1。

表1 吸附剂处理印染废水的COD去除率

由表1可知，改性活性炭处理印染废水的COD去除率可达94.6%，而活性炭处理的COD去除率仅为52.9%。由此可知，活性炭经改性后吸附能力有很大的提升，并且改性活性炭用量是活性炭用量的1/4，吸附时间也有所缩减，降低了印染废水处理成本，节约了能源。

3 结论

（1）活性炭吸附印染废水的优化工艺条件：活性炭用量80 g/L，吸附3 h，pH=5，处理后印染废水的COD为104 mg/L。

（2）采用接枝剂WL改性的活性炭处理印染废水的优化工艺条件：改性活性炭用量20 g/L，吸附2 h，pH=4，处理后印染废水的COD为12 mg/L，达到了国家印染废水一级排放标准。