陳天崖 張世豪 王亞茹 邵蕾 王仕鑫 劉劍飛

摘要：利用活性炭固定床吸附硝基苯廢水溶液，分析了活性炭填充量、硝基苯廢水濃度和流量等因素對吸附效果的影響。結(jié)果表明，流量越低、活性炭用量越多、硝基苯廢水濃度越低，越有利于吸附溶液中的硝基苯。利用Bed Depth Service Time（BDST）、Tomas、Admas-Bohart和Yoon-Nelson模型對硝基苯廢水進(jìn)行了吸附模擬，效果均較好。

關(guān)鍵詞：活性炭固定床;硝基苯;吸附

中圖分類號(hào)：X52? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）08-0071-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.08.016? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： The adsorption behavior of nitrobenzene wastewater solutions with fixed activated carbon bed was studied. The effect of various parameters like bed depths， concentration and flow rates of nitrobenzene wastewater were investigated. The results showed that the lower flow rate， more activated carbon amount and lower nitrobenzene concentration would benefit the adsorption effect. The adsorption data also fitted Bed Depth Service Time（BDST）、Tomas， Admas-Bohart and Yoon-Nelson models well.

Key words： activated carbon fixed bed; nitrobenzene; adsorption

硝基苯是芳香族化合物的一種，廣泛用于染料、藥物、有機(jī)溶劑的生產(chǎn)。硝基苯具有三致作用、難降解性和環(huán)境積累趨勢[1]。硝基苯進(jìn)入水體會(huì)長期影響水質(zhì)感官性狀，給地面水自凈過程造成困難，并可通過呼吸道及皮膚侵入人體，引起神經(jīng)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)和肝脾的病變，危害人體健康。生態(tài)環(huán)境部已將其列入優(yōu)先控制污染物名單，并對其排放有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。

目前硝基苯廢水處理方法主要有化學(xué)氧化法、生物降解法和物理法[5]，這些方法存在限制條件多、吸附不完全、能耗大、成本高等問題[6]，對其處理采用較多的方法是吸附法，較多的吸附劑是活性炭，也有一些研究利用海底沉積物、沸石分子篩、松花江沉積物、蒙脫石作為吸附劑，均取得了較好的效果[7-9]。

選取活性炭作為吸附劑，其表面的官能團(tuán)使其具備表面化學(xué)特性，賦予了化學(xué)吸附性能[10，11]，利用活性炭固定床吸附硝基苯廢水溶液，分析了活性炭填充量、硝基苯廢水濃度和流量等因素對吸附效果的影響，并采用Bed Depth Service Time（BDST）、Tomas、Admas-Bohart和Yoon-Nelson模型模擬了硝基苯廢水吸附數(shù)據(jù)。

1? 試驗(yàn)部分

1.1? 試劑與原料

活性炭購于中國西隴化工股份有限公司，比表面積718.2 m2，孔體積0.845 cm3/g，孔徑分布0.2～2.0 nm，平均孔徑0.845 nm，微孔體積0.397 cm3/g，中孔體積0.206 cm3/g，大孔體積0.242 cm3/g。

硝基苯（C5H6NO2）購于天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，分析純。

1.2? 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)裝置示意見圖1。固定床有機(jī)玻璃柱高20 cm，內(nèi)徑1.0 cm。固定床出水直接流入儲(chǔ)槽中。配制5 L硝基苯溶液于廣口玻璃瓶中，控制流量、活性炭填充量、硝基苯廢水濃度等條件，按照設(shè)定的流量調(diào)節(jié)出水，待出水水流穩(wěn)定后開始計(jì)時(shí)，每隔15 min取樣。

1.3? 分析方法

取樣靜置后，用玻璃注射器攝取溶液，通過UV-1100型可見分光光度計(jì)（上海美析儀器有限公司）測得試樣對應(yīng)的吸光度（λ=268 nm），通過事先試驗(yàn)測得的硝基苯濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出每個(gè)試樣所對應(yīng)的硝基苯濃度，從而得到其吸附量及平衡濃度。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 穿透曲線的影響因素

2.1.1? 流量? 活性炭填充量為2.5 g、初始硝基苯廢水濃度為165 mg/L時(shí)，不同流量（10、20、30 mL/min）對穿透曲線的影響見圖2，t為吸附時(shí)間（min）;C0和Ct分別為吸附質(zhì)在初始和t時(shí)刻時(shí)的質(zhì)量濃度（mg/L）。

由圖2可見，流量越低，硝基苯廢水的穿透曲線的斜率越大，其穿透時(shí)間（Ct/C0=0.9）越短，因?yàn)榱髁吭降?，水力停留時(shí)間越長，溶液有更長的時(shí)間與活性炭接觸;對應(yīng)于流量10、20和30 mL/min，硝基苯廢水的穿透時(shí)間分別為306、369和623 min?？梢?，流量越低，越有利于活性炭發(fā)揮吸附效能。

2.1.2? 活性炭填充量? 在流量20 mL/min、初始硝基苯廢液濃度為165 mg/L的條件下，活性炭填充量對穿透曲線的影響見圖3，t為吸附時(shí)間（min）;C0和Ct為吸附質(zhì)在初始和t時(shí)刻時(shí)的質(zhì)量濃度（mg/L）。由圖3可知，隨著活性炭填充量的增加，硝基苯廢水的穿透時(shí)間延長。此外隨著填充物的增加，活性炭柱的高度增高，活性炭的吸附面積增大，使得硝基苯廢水的吸附飽和時(shí)間縮短。

2.1.3? 硝基苯廢水濃度? 在流量為20 mL/min、活性炭填充量為2.5 g的條件下，硝基苯廢水的濃度對穿透曲線的影響見圖4，t為吸附時(shí)間（min）;C0和Ct分別為吸附質(zhì)在初始和t時(shí)刻時(shí)的質(zhì)量濃度（mg/L）。由圖4可知，初始硝基苯廢水的濃度越大其穿透時(shí)間越短，初始硝基苯廢水濃度分別為130、165和200 mg/L時(shí)的穿透時(shí)間分別為315、359和436 min。廢水濃度高所對應(yīng)的吸附跨度高，時(shí)間增加，因此當(dāng)硝基苯廢水濃度為130 mg/L時(shí)，其吸附時(shí)間最短。

2.2? 模型擬合

2.2.1? Tomas模型? Tomas模型假設(shè)溶液呈活塞流形態(tài)，吸附符合Langmuir模型和二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，且表面擴(kuò)散是個(gè)無限的擴(kuò)散過程，是在固定床吸附中使用極為廣泛的一種模型[12]。該模型的線性表達(dá)式為：

式中，KTh為Tomas模型常數(shù)，mL/（mg·min）; qe為平衡吸附量，mg/g;m為活性炭填充量，g;Q為硝基苯廢水的流量，mL/min。

Tomas模型的擬合結(jié)果見表1，該模型對于硝基苯廢水的模擬效果較好。高活性炭填充量、低流量和低濃度時(shí)KTh較高，說明高活性炭填充量、低流量和適中濃度時(shí)的單位吸附能力提高。這可能是由于吸附過程是由濃度差驅(qū)動(dòng)的，即表面擴(kuò)散的推動(dòng)力是濃度梯度，而細(xì)孔作用力與物理吸附較弱。通過吸附模型分析可以看出，隨著活性炭填充量的減小，平衡吸附量提高，這是因?yàn)閷τ谙嗤娜芤?，少量的活性炭有更多的吸附機(jī)會(huì)，從而提高了單位吸附量;隨著流量的降低，吸附時(shí)間延長，從而增加了吸附量;硝基苯廢水的吸附量在最低濃度時(shí)吸附效果最好，這是因?yàn)橄趸綇U水濃度高則其所需要的吸附容量增加，時(shí)間增加。

2.2.2? BDST模型? BDST模型是一種簡化的關(guān)于吸附柱高度和穿透時(shí)間之間的關(guān)系，假設(shè)吸附是受吸附質(zhì)和吸附劑的表面反應(yīng)所控制[13]，其表達(dá)式為：

式中，N0為固定床吸附容量，mg/L;Z為活性炭高度，cm;U為吸附質(zhì)下降速率，cm/min;Ka為吸附速率系數(shù)，L/（mg·min）。

由式（2）可以看出，在一定的初始濃度和流量以及一定的穿透濃度條件下，固定床的床高和穿透時(shí)間呈線性關(guān)系。BDST模型可以在較少次數(shù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到吸附床的吸附容量和吸附速率常數(shù)，同時(shí)在已知流速和初始濃度的條件下對一定范圍內(nèi)的不同流速和初始濃度下裝置達(dá)到的飽和程度進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果較準(zhǔn)確。根據(jù)吸附過程中的對應(yīng)參數(shù)關(guān)系，利用BDST模型來描述柱高、時(shí)間、過程濃度和吸附參數(shù)[14]。由表2可以得出，流量越低、活性炭填充量越高、硝基苯廢水濃度越低，越有利于發(fā)揮活性炭的吸附效能。

2.2.3? Admas-Bohart模型? Admas-Bohart模型假設(shè)吸附率是吸附劑剩余容量和吸附劑濃度的比例，它用于描述穿透曲線的初始部分[15]，其表達(dá)式為：

式中，N0為固定床吸附容量，mg/L;Z為活性炭高度，cm;F為吸附質(zhì)下降速率，cm/min;KAB為Admas-Bohart模型常數(shù)，L/（mg·min）。

根據(jù)式（3），可以用非線性回歸方法從一個(gè)給定的床高和流速的曲線上確定柱的活性炭特征操作參數(shù)的值。在Admas-Bohart模型中計(jì)算得到的動(dòng)力常數(shù)KAB隨著初始濃度的降低，逐漸增大，得到對應(yīng)的床層體積吸附容量在流量越低、活性炭填充量越高、硝基苯廢水濃度越低的條件下最大，這表明在該條件下的床層吸附效果最好，由于在數(shù)據(jù)擬合過程中得到的相關(guān)系數(shù)較低，因此該模型對此過程的應(yīng)用有一定的限制[16]。Admas-Bohart模型假設(shè)吸附平衡不是瞬間能夠達(dá)到的，從表3可以看出，長柱高、低濃度和低流速可以加快吸附速度，傳質(zhì)系數(shù)增大，這說明吸附過程硝基苯的吸附主要取決于其在活性炭表面液膜中的移動(dòng)速度。

2.2.4? Yoon-Nelson模型? Yoon-Nelson模型假設(shè)每個(gè)吸附分子吸附概率的下降速率是吸附劑吸附概率和吸附劑上吸附物突破的概率，此模型不僅復(fù)雜程度低，而且不需要關(guān)于吸附劑的性質(zhì)、吸附劑的類型和吸附床的物理性質(zhì)的詳細(xì)數(shù)據(jù)[17]。單系統(tǒng)的Yoon-Nelson模型方程可表示為：

式中，KYN為Yoon-Nelson模型速率常數(shù)，L/min;G為吸附50%所需的時(shí)間，min。

根據(jù)式（4），可以用非線性回歸方法從曲線上確定KYN和G的參數(shù)值。由表4可以得出，流量越低、活性炭填充量越高、硝基苯廢水濃度越低，吸附50%硝基苯所需的時(shí)間越短。固定床吸附中有相同的規(guī)律，即最大吸附量隨著活性炭用量的增加而減少，這是因?yàn)閷τ谙嗤娜芤?，少量的活性炭有更多的吸附機(jī)會(huì)，從而提高了單位吸附量;隨著過濾時(shí)間的增加而減少，這是因?yàn)榈蜑V速提供了更多的吸附時(shí)間，從而提高了單位吸附量。

3? 小結(jié)

結(jié)果表明，流量越低、活性炭填充量越高、硝基苯廢水濃度越低，越有利于吸附溶液中的硝基苯。采用BDST、Tomas、Admas-Bohart和Yoon-Nelson模型對硝基苯廢水進(jìn)行了吸附模擬，效果均較好。

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收稿日期：2018-09-14

作者簡介：陳天崖（1998-），男，河南商丘人，在讀本科生，（電話）13837016390（電子信箱）1476805722@qq.com。