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高盐染料废水介孔碳吸附处理技术

发布时间:2021-11-18 10:12:20  中国葡京捕鱼软件下载工程网

  近年来,高盐有机废水污染问题日益凸显。该废水难于处理,主要原因在于常含有高浓度可溶性有机物、多种难降解有机物以及大量的Na+,Cl-,SO42-等多种无机盐离子。高盐染料废水是其中较难处理的一种,具有浓度高、色度高、盐分高、可生化性差的特点,传统的物化法无法有效地降低有机物浓度,而生物法则因高盐分限制了微生物的生长。作为一种新型的吸附材料,介孔碳因其较大的比表面积及孔容,具备较强的吸附能力。针对高盐染料废水难处理的问题,拟采用高盐亚甲基蓝模拟废水作为吸附对象,探究介孔碳的最佳制备条件,从而得到对高盐染料废水吸附效果最好的介孔碳材料,寻求在高盐环境下仍可高效吸附处理亚甲基蓝废水的方法。

  1、材料与方法

  1.1 试验材料、药品

  主要药品及材料购自国药集团试剂有限公司,其中P123、F127、苯酚、间苯二酚及间苯三酚为分析纯,亚甲基蓝、甲醛、正硅酸乙酯、葡萄糖、蔗糖及木质素磺酸钠为化学纯。

  1.2 主要试验仪器、设备

  试验主要仪器见表1。

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  1.3 试验方法

  1.3.1 介孔碳的制备

  目前,制备介孔碳材料有催化活化法、有机凝胶碳化法和模板法等,其中催化活化法制备的介孔碳孔径小但分布范围广,采用有机凝胶碳化法制备的介孔碳孔径大、分布范围较小,但有序性降低。而模板法不但有效地控制了这种缺陷,且能制备孔径可调、高度有序、形貌可控的介孔碳材料。按照制备过程中模板剂类型的不同,可分为硬模板法和软模板法。

  本试验将参考软模板法制备介孔碳,考察的影响因素分别为模板剂、碳源、盐酸体积、炭烧温度和炭烧时间,实验方法参照以下方案:

  (1)准确称取1.25g模板剂(P123,F127及P123/F127)溶于装有7mL乙醇/水(乙醇摩尔分数为0.3)溶剂的烧杯中。

  (2)将烧杯置于45℃的水浴锅中搅拌溶解。

  (3)待完全溶解后,依次加入2.20mL正硅酸乙酯和1.25g苯酚(间苯二酚、间苯三酚、葡萄糖、蔗糖及木质素),随后加入不同体积(0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30mL)的10mol/L盐酸作为催化剂。

  (4)反应30min后加入少量甲醛水溶液,继续反应90min后置于70℃烘箱中干燥。

  (5)将干燥后的纳米聚合物置于坩埚中,再将坩埚置于通氮气保护的管式炉中,升至不同温度(400,500,600,700,800℃),保持不同时间(1,2,3,4,5,6h)得到碳-硅复合材料。

  (6)将所得材料通过在质量分数约为10%的HF溶液中浸泡、搅拌、抽滤、洗涤、烘干后得到介孔碳材料样品。

  1.3.2 介孔碳对高盐亚甲基蓝的吸附

  配制5%NaCl的亚甲基蓝溶液200mL,亚甲基蓝质量浓度为300mg/L,向溶液中加入一定量的介孔碳样品,吸附时间360min,每隔一段时间定时取一次样,加入搅拌转子离心搅拌,稀释适当倍数后置于紫外吸收光谱仪中,于波长605nm处测其吸光度,并通过下列公式计算高盐亚甲基蓝去除率:

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  式中,Ct为亚甲基蓝起始质量浓度,mg/L;Ct+△t为经△t时间后亚甲基蓝的质量浓度,mg/L。

  2、结果与讨论

  2.1 模板剂对吸附效果的影响

  2.1.1 单一模板对吸附效果的影响

  控制盐酸体积0.15mL,选用不同模板剂(P123,F127),炭烧时间3h,单一模板剂对吸附效果的影响如图1所示。

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  由图1可知,以F127作模板剂的效果明显优于P123的,达到吸附平衡的时间短,约为60min,且30min的去除率达到60.35%,超过P123的52.52%,而P123作模板剂的吸附平衡时间约为120min。可见,以F127作模板剂的吸附效果好,缩短了吸附平衡时间。

  2.1.2 复合模板剂对吸附效果的影响

  控制盐酸体积0.15mL,复合模板剂为不同质量比(13,12和11)的P123/F127,不同模板剂对吸附效果的影响如图2所示。

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  图2表明,高盐亚甲基蓝溶液被吸附处理时,单一模板剂P123与F127的吸附量分别为205.56mg/g,313.30mg/g,F127的吸附量是P123的1.52倍。单一模板剂的吸附效果明显低于P123/F127质量比为13时的吸附量385.19mg/g,然而随着P123/F127的质量比增加,吸附效果变差,其原因可能是导向剂中的疏水部分(PO)大小决定了介孔材料的孔结构,P123调节了PO部分的比例,从而影响其吸附效果。综上所述,质量比为13的P123/F127复合模板剂为最佳模板剂。

  2.2 碳源对吸附效果的影响

  控制盐酸体积0.15mL,选用不同碳源(葡萄糖,蔗糖,木质素及酚醛树脂),炭烧时间3h,不同碳源对吸附效果的影响如图3所示。

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  由图3可知,以葡萄糖作碳源制得的介孔碳材料对高盐亚甲基蓝溶液的吸附效果最差,其吸附量为83.54mg/g,约为蔗糖作碳源的1/3,远小于间苯三酚/甲醛作碳源的313.3mg/g。选用苯酚/甲醛和间苯二酚/甲醛作碳源的吸附量也远小于间苯三酚/甲醛作碳源的吸附量。说明大量羟基有助于提高其同三嵌段共聚物F127的相互作用能力,从而提高其吸附效果。因此,选用间苯三酚/甲醛为最佳碳源。

  2.3 盐酸加入量吸附效果的影响

  介孔碳制备过程中,控制反应条件,加入不同体积的盐酸(0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30mL)作催化剂,盐酸加入量对吸附效果的影响如图4所示。

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  由图4可知,随着盐酸从0.05mL增加到0.20mL,高盐亚甲基蓝溶液被吸附处理的效果越来越好,但当盐酸超过0.20mL以后,吸附处理效果反而下降,盐酸加入量为0.15mL时所制得的介孔碳,其对高盐亚甲基蓝的去除率在20min就达到了54.41%,且其吸附平衡时间短,约为60min。虽然分别达到吸附平衡时,盐酸加入量为0.15mL的去除率(60.32%)稍低于加入量0.20mL的去除率(61.13%),但盐酸加入量0.2mL时达到吸附平衡的时间较长,约为120min,综合考虑,选择0.15mL作为最佳盐酸加入量。

  2.4 炭烧温度对吸附效果的影响

  控制盐酸加入量0.15mL,选取不同炭烧温度(400,500,600,700,800℃),炭烧温度对吸附效果的影响如图5所示。

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  图5表明,当炭烧温度从400℃升高到600℃时,高盐亚甲基蓝溶液被吸附处理的效果越来越好,600℃时达到最大去除率64.92%,但当温度超过600℃后,去除率反而下降。其原因可能是温度太高,所制得的介孔碳结构变化,骨架收缩,从而影响其吸附效果。炭烧温度600℃的吸附平衡时间短,约为60min。因此,选用600℃为最佳炭烧温度。

  2.5 炭烧时间对吸附效果的影响

  控制盐酸加入量0.15mL,选取不同炭烧时间(1,2,3,4,5,6h),炭烧温度600℃,炭烧时间对吸附效果的影响如图6所示。

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  由图6可知,炭烧时间对吸附效果有一定影响,当炭烧时间从1h延长到3h时,其去除率逐渐增大,3h时达到最大去除率64.92%,但时间超过3h后去除率几乎不变。炭烧时间3h的吸附平衡时间短,约为60min。因此,考虑经济性,选用3h为最佳炭烧时间。

  2.6 介孔碳与活性炭吸附效果对比试验

  配制5%NaCl的亚甲基蓝溶液200mL,亚甲基蓝质量浓度为300mg/L,分别加入0.1g活性炭和介孔碳,吸附时间30min,每5min取一次样,加入搅拌转子离心搅拌,稀释适当倍数后测其吸光度,结果如图7所示。

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  由图7可知,吸附处理高盐亚甲基蓝溶液时,活性炭的去除率明显低于介孔碳。介孔碳在30min时对亚甲基蓝的去除率就达到63%以上,比活性炭高出37%,吸附平衡时间约为60min。二者的吸附量分别为385.19mg/g,210.56mg/g,介孔碳是活性炭的1.83倍。可见介孔碳的吸附效果更好,其吸附平衡时间更短。

  2.7 介孔碳粉末的SEM表征

  将按照实验数据分析得到的最佳制备条件下制得的介孔碳材料进行扫描电镜(SEM)表征,SEM工作条件为:选用EHT扫描模式,放大倍数为2万倍,加速电压为10kV,高度为9.6mm左右。扫描电镜测试结果如图8所示。

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  SEM图中可以看出,该介孔碳粉末呈球形,比表面积较大,属于介孔/大孔结构,孔隙比较发达。介孔碳与污染物的接触面积较大,吸附空间较大,从而其吸附能力较强。

  3、结论

  介孔碳最佳制备条件为:以间苯三酚/甲醛为碳源,质量比为13的P123/F127为模板剂,0.15mL的盐酸为催化剂,600℃的炭烧温度,3h的炭烧时间,所得材料对高盐亚甲基蓝溶液的吸附量为385.19mg/g。

  介孔碳提高了对高盐亚甲基蓝溶液的吸附效果,30min的去除率达到63%以上,比活性炭高出37%,吸附量是活性炭的1.83倍,缩短了吸附平衡时间,仅为60min。(来源:武汉工程大学化学与环境工程学院,华中科技大学环境科学与工程学院)

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