粉末活性炭对焦化反渗透浓水的吸附选择性研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0694

摘要/Abstract

摘要：

以活性炭为主的吸附材料在面对工业尾水时对不同种类有机污染物的吸附存在一定的差异并难以彻底去除。实验通过粉末活性炭（PAC）对焦化反渗透浓水（ROC）的吸附过程进行解析，结果表明，PAC的吸附选择性主要基于两个方面的因素：一方面，十四烷、角鲨烯等部分长链有机物的分子直径大于PAC的最佳吸附孔径（0.5~1 nm），因此难以得到有效去除；另一方面，有机物对PAC表面大量含氧官能团的相互竞争以及PAC表面含氮官能团的缺少，使得苯酚类有机物与PAC之间的相互作用降低。从PAC对ROC的吸附过程来看，吸附启动阶段PAC主要依靠孔道通过物理作用吸附芳香类有机物，而在吸附中期则依靠表面官能团与有机物的相互作用吸附烷烃、烯烃等非芳香族有机物，整体吸附过程更符合拟二级动力学和Freundlich等温模型。

关键词: 粉末活性炭, 反渗透浓水, 孔径结构, 吸附选择性

Abstract:

The adsorption efficiency of different organic pollutants by activated carbon based adsorbent materials varies in the face of industrial tailwater and seldomly reach a completely removal. The adsorption process of powdered activated carbon（PAC） on coked reverse osmosis concentrated water（ROC） was analyzed in this study. The results showed that the adsorption selectivity of PAC was mainly based on two factors. On one hand， the molecular size of some long-chain organics such as tetradecane and squalene is larger than the optimal adsorption pore size of PAC（0.5-1 nm），leading to an ineffective removal. On the other hand， the mutual competition of organics for a large number of oxygen-containing functional groups on the PAC surface and the lack of nitrogen-containing functional groups on the PAC surface reduce the interaction between phenol-based organic matter and PAC. From the adsorption process of PAC on ROC，PAC mainly relied on the pore size to adsorb aromatic organics through physical interaction in the initiation stage，while in the middle stage the interaction between surface functional groups and organics dominated the adsorption of non-aromatic organics such as alkanes olefins. The overall adsorption process is more consistent with the proposed secondary kinetics and Freundlich isothermal model.

Key words: powder activated carbon, reverse osmosis concentrated water, pore structure, adsorption selectivity

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I5/69

图/表 14

图1 吸附时间和PAC投加量对ROC中TOC吸附效果的影响

Fig.1 The effect of PAC adsorption time and adsorption amount on the TOC content of reverse osmosis concentrate

图2 PAC吸附ROC过程中不同时间下样品的紫外吸收光谱

Fig. 2 UV absorption spectra of samples at different times during ROC adsorption by PAC

图3 PAC吸附过程中的SUVA₂₅₄和UV₂₅₄/UV₃₆₅

Fig. 3 SUVA₂₅₄and UV₂₅₄/UV₃₆₅ in the PAC adsorption process

图4 PAC吸附过程拟一级/拟二级动力学拟合结果

Fig. 4 Pseudo-first-order/pseudo-second-order kinetics fitting results of PAC adsorption process

表1 吸附动力学参数

Table 1 Adsorption kinetic parameters

拟合模型	q_e，exp/（mg·g^-1）	k/min^-1	R²
拟一级动力学	138.54	0.648 5±0.104 2	0.855 8
拟二级动力学	144.28	0.006 9±0.000 5	0.989 5

图5 PAC的 Langmuir 和 Freundlich等温吸附实验

Fig.5 Langmuir and Freundlich isotherm adsorption experiments of PAC

表2 Langmuir和 Freundlich等温线参数

Table 2 Langmuir and Freundlich isotherm parameters

T/K	Langmuir模型			Freundlich模型
T/K	回归方程	K_L	R²	回归方程	K_F	R²	n
298.15	q_e=1.44C_e/（1+0.116C_e）	0.097	0.984	lgq_e=0.653 lgC_e+0.246	1.76	0.985	1.53
318.15	q_e=0.957C_e/（1+0.012C_e）	0.009	0.989	lgq_e=0.952 lgC_e+0.031	1.07	0.992	1.05
338.15	q_e=0.767C_e/（1+0.055C_e）	0.002	0.855	lgq_e=0.949 lgC_e+0.003	1.01	0.978	1.05

图6 PAC吸附前后孔径分布

Fig. 6 Pore size distribution before and after PAC adsorption

图7 PAC吸附前后累计孔容

Fig. 7 Cumulative pore volume before and after PAC adsorption

图8 PAC吸附前后表面形态

Fig.8 Surface morphology before and after adsorption of PAC

表3 吸附前ROC中有机物组分（质量分数>1.2%）

Table 3 Organic matter components in ROC before adsorption

序号	名称	相对分子质量	CAS编号	质量分数/%
1	N，N-二甲基-1，3-苯并唑-2-胺	162.18	13858-89-4	1.24
2	（4R，5S）-4-羟基-5-（R）-1-碘乙基-5-甲基二氢呋喃-2-酮	270.06	81357-35-9	1.27
3	3-羟基-N，N-二乙基苯胺	165.23	91-68-9	1.27
4	邻苯二甲酸二正丁酯	278.34	84-74-2	1.5
5	N-亚糠基异戊胺	165.23	52074-26-7	1.54
6	N-（反式巴豆基）吡咯烷-2-酮-	153.17	190734-66-8	1.92
7	4-羟基-3-叔丁基-苯甲醚	180.24	121-00-6	2.16
8	2，4，6-三甲基吡啶	121.18	108-75-8	2.5
9	3，3-二甲基-2-丁胺	101.19	3850-30-4	3.14
10	（2R，4aR，8aR）-十氢萘-2-醇	154.25	2529-06-8	3.14
11	（2S）-2-氨基-N-乙基丙酰胺	116.16	71773-95-0	5.03
12	邻苯二甲酸二甲酯	194.18	131-11-3	6.62
13	环丁醇	72.11	2919-23-5	6.75
14	2-氨基咪唑-4-羧酸	127.10	860011-60-5	13.51
15	2，4-二叔丁基苯酚	206.32	96-76-4	20.63

表4 吸附后ROC中有机物组分（质量分数>0.5%）

Table 4 Organic matter components in ROC after adsorption

序号	名称	相对分子质量	CAS编号	质量分数%
1	甲苯	92.14	108-88-3	0.51
2	均四甲苯	134.22	95-93-2	0.51
3	磷酸三丁酯	266.31	126-73-8	0.7
4	邻苯二甲酸二丁酯	278.34	84-74-2	0.76
5	2，4-二叔丁基苯酚	206.32	96-76-4	33.86
6	氰乙酰胺	84.07	107-91-5	60.93

图9 PAC吸附前后红外光谱和ROC中有机物成分变化

Fig. 9 Infrared spectra and changes of organic matter in ROC before and after PAC adsorption

图10 ROC中有机物的分子直径

Fig. 10 Diameter of organic molecules in ROC

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