活性炭吸附印染废水中铬黑T的研究毕业论文.docx

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活性炭吸附印染废水中铬黑T的研究毕业论文

摘要I

AbstractII

目录III

第一章引言1

1.1课题的背景和意义1

1.2印染废水的传统处理工艺方法1

1.3高新处理技术的研究和实践3

1.4活性炭4

1.4.1活性炭介绍4

1.4.2活性炭分类7

1.4.3主要用途7

1.4.4应用领域7

1.4.5活性炭吸附性的影响因素8

1.5近年来人们利用活性炭处理印染废水的新方法8

第二章实验10

2.1试剂和仪器10

2.2实验原理10

2.3实验步骤11

2.3.1控制单一因素变量实验11

2.3.2正交实验19

第三章结果与讨论23

3.1结论23

3.2活性炭处理印染废水的不足23

3.3活性炭吸附法处理染料废水的发展前景24

3.4结语25

参考文献26

致谢28

第一章引言

1.1课题的背景和意义

印染废水是毛、棉、化纤等纺织产品用于染色、印花工艺所排放的废水，其成分复杂，主要含以芳烃和杂环化合物为母体的带有显色基团及极性基团的染料。

印染废水具有水量大、有机污染物含量高、难降解物质多、色度高，以及组分复杂等特点，属难处理的工业废水。

印染废水中含有染料、浆料、助剂、油剂、酸碱，纤维杂质及无机盐等，其中染料中的硝基和胺基化合物，以及铜、铬、锌、砷等重金属元素，具有较大的生物毒性，严重污染环境。

据资料统计，我国每年印染废水排放量占总工业废水排放量的35％，已成为危害最大的难以治理的重要污染源。

印染废水是指棉、毛、化纤等纺织产品在染色、印花过程中所排放的废水，其成分复杂，主要含以芳烃和杂环化合物为母体的带有显色基团及极性基团的染料。

为使染色更加均匀，印染时还常加入一些助剂，这就造成印染废水色度大、COD及BOD高，并向着抗氧化、抗生物降解方向发展，使原有的生物处理系统COD去除率从70％下降到50％左右，甚至更低；化学沉淀和气浮法COD去除率也仅为30％左右，从而使传统的生物处理工艺受到严重挑战翻[1]。

采用吸附法处理印染废水，则可弥补上述生物法处理、化学沉淀和气浮法处理印染废水的不足之处。

纺织印染行业是工业废水排放大户。

对废水的水质、水量进行总量控制，尽量减少各生产工序的排污，施行清洁生产工艺是我国纺织印染行业实现可持续发展的必然要求。

因此开发经济有效的处理印染废水技术，成为当今环保工作者关注的课题。

1.2印染废水的传统处理工艺方法

1.吸附脱色

吸附脱色技术是依靠吸附剂的吸附作用来脱除染料分子的。

吸附脱色的一个主要优点是通过吸附的作用可将染料从水中去除，吸附过程保留了染料的结构。

吸附剂包括可再生吸附剂如活性炭、离子交换纤维等和不可再生吸附剂如各种天然矿物（膨润土、硅藻土）、工业废料（煤渣、粉煤灰）及天然废料（木炭、锯屑）等[2]。

活性炭是用于吸附分离操作的主要吸附剂。

活性炭是用含碳为主的物质作原料，如煤，木材，骨头，硬果壳，石油残渣等，经高温炭化和活化而成。

由于其部具有十分发达的孔隙以及巨大的表面积，使它有很强的吸附能力和很大的吸附容量，可用于通过吸附方法处理污水。

吸附分离是利用吸附剂具有较强的脱除痕量物质的能力和良好的选择性，把结构类似、物化

性质接近的物质分开的过程。

吸附分离操作在石油、化工、冶金、食品和医药等行业中已得到广泛的应用，在保护环境、控制污染方面也发挥着越来越重要的作用[3]。

活性炭作为一种优良吸附剂早已广泛应用于水处理中。

至今仍是有色印染废水的最好吸附剂。

不过，活性炭价格昂贵，加之再生困难，因此一般只应用于浓度较低的印染废水处理或深度处理。

吸附剂的最大问题在于难以实现现场再生[4]。

2.絮凝

印染废水絮凝脱色机制是以胶体化学的DLVO理论为基础的。

其投资费用低，设备占地少，处理量大，是一种被普遍采用的脱色技术。

包括无机混凝剂包括铁盐、铝盐、镁盐及无机絮剂，天然有机高分子絮凝剂，合成的有机高分子絮凝剂[5]。

3.氧化还原脱色

借助氧化还原作用破坏染料的共轭体系或发色基团是印染脱色处理的有效方法。

除常规的氯氧化法外，国外研究重点主要集中在臭氧氧化、超声波氧化、过氧化氢氧化、电解氧化和光氧化方面。

氧化剂一般采用Fenton试剂、臭氧、氯气、次氯酸钠等。

氧化法是一种优良的印染废水脱色方法，但如果氧化程度不足，染料分子的发色基团可能被破坏而脱色，但其中的COD仍未除尽；若将染料分子充分氧化，能量、药剂量消耗可能会过大，成本太高，所以氧化法一般用于氧化—絮凝或絮凝—氧化工艺[6]。

4.生物法

生物法脱色是利用微生物酶来氧化或还原染料分子，破坏其不饱和键及发色基团。

脱色微生物对染料具专一性，其降解过程分两阶段完成，先是染料分子的吸附和富集，接着再生物降解。

染料分子通过一系列氧化、还原、水解、化合等生命活动，最终降解成简单无机物或转化为各种营养物及原生质。

染料分子细微的结构变化都会大大影响脱色率，如某些藻类对含-OH、-NH：

的染料脱色率很高，但几乎无法降解含-CH3、-OCH3的染料分子；染料浓度对脱色率也有一定影响，高浓度染料会抑制微生物活性。

影响脱色率或脱色效果[7]。

总之，生物法处理印染废水的脱色率和COD去除率不高，并且反应时间长，一般不适宜单独应用，可作为预处理或深度处理步骤。

1.3高新处理技术的研究和实践

1.光化学氧化法

光化学氧化法由于其反应条件温和（常温、常压）、氧化能力强和速度快等优点。

光化学氧化可分为光分解、光敏化氧化、光激发氧化和光催化氧化四种。

目前研究和应用较多的是光催化氧化法。

光催化氧化技术能有效地破坏许多结构稳定的生物难降解的有机污染物，具有节能高效、污染物降解彻底等优点，几乎所有的有机物在光催化作用下可以完全氧化为CO2、H2O等简单无机物。

但是光催化氧化方法对高浓度废水效果不太理想。

关于光催化氧化降解染料的研究主要集中在对光催化剂的研究上。

其中，TiO2化学性质稳定、难溶无毒、成本低，是理想的光催化剂。

传统的粉末型TiO2光催化剂由于存在分离困难和不适合流动体系等缺点，难以在实际中应用。

近年来，TiO2光催化剂的搀杂化、改性化成为研究的热点。

2.膜分离技术

膜分离技术处理印染废水是通过对废水中的污染物的分离、浓缩、回收而达到废水处理目的。

具有不产生二次污染、能耗低、可循环使用、废水可直接回用等特点。

膜分离技术虽然具有如此多的优点，但也存在着尚待解决的问题，如膜污染、膜通量、膜清洗、以及膜材质的抗酸碱、耐腐蚀性等问题，所以，现阶段运用单一的膜分离技术处理印染废水，回收纯净染料，还存在着技术经济等一系列问题。

现在膜处理技术主要有超滤膜，纳米滤膜和反渗透膜。

膜处理对印染废水中的无机盐和COD都有很好的去除作用。

3.超声波技术

利用超声波可降解水中的化学污染物，尤其是难降解的有机污染物。

它集高级氧化技术、焚烧、超临界水氧化等多种水处理技术的特点于一身，降解条件温和、降解速度快、适用围广，可以单独或与其它水处理技术联合使用。

该方法的原理是废水经调节池加入选定的絮凝剂后进入气波振室，在额定的震荡频率的激烈震荡下，废水中的一部分有机物被开键成为小分子，在加速水分子的热运动下，絮凝剂迅速絮凝，废水中色度、COD、苯胺浓度等随之下降，起到降低废水中有机物浓度的作用。

目前超声技术在水处理上的研究已取得了较大的成果，但绝大部分的研究都还局限于实验室水平上。

4.高能物理法

高能物理法是一种新的水处理技术,当高能粒子束轰击水溶液时,水分子发生激发和电离,生成离子、激发分子、次级电子,这些辐射产物在向周围介质扩散前会相互作用产生反应能力极强的物质HO·自由基和H原子,与有机物质发生作用而使其分解。

高能物理法处理印染废水具有有机物的去除率高、设备占地小、操作简单、用来产生高能粒子的装置昂贵、技术要求高、能耗大、能量利用率不高等特点。

若要真正投入实际运行,还需进行大量的研究工作。

1.4活性炭

1.4.1活性炭介绍

活性炭是一种由含炭材料制成的外观呈黑色，部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。

活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔。

活性炭作为吸附剂不但吸附能力强而且吸附容量大。

它可以从气相或液相中吸附各种物质，且吸附能力很大。

活性炭吸附容量大的主要原因就是它的多孔结构，其比表面积非常高。

活性炭在电子显微镜下的放大图：

图1-1.活性炭放大2000倍的电镜图

图1-2.活性炭放大20000倍的电镜图

图1-3.活性炭放大100000倍的电镜图

图1-4.活性炭放大200000倍的电镜图

与树脂、硅胶、沸石等吸附剂相比，活性炭具有很多优越性：

孔隙结构高度发达、比表面积大；炭表面上含有（或可以附加上）多种官能团；具有催化活性；性能稳定，能在不同温度和酸碱度下使用；可以再生[8]。

因此，活性炭的应用领域不断扩大，从用于食品和医药的脱色与除味、防毒面具，发展到大规模应用于溶剂精制与回收、催化剂或催化剂载体、防除原子能设施放出的放射性物质、空气净化、烟气脱硫、食品保鲜、医药制品、血液净化，近年来又在大容量电容器、天然气贮存等领域得到新的应用[9]。

应用领域的扩大对吸附性能提出了新的、更高的要求，在“高吸附、多功能、高强度”的总要求下，出现了对专用活性炭需求量越来越多的趋势。

1.4.2活性炭分类

由于原料来源、制造方法、外观形状和应用场合不同，环保活性炭的种类很多，到目前为止尚无精确的统计材料，大约有上千个品种[10]。

按原料来源分：

1.木质活性炭；2.兽骨、血炭；3.矿物质原料活性炭；4.其它原料的活性炭；5.再生活性炭

按制造方法分：

1.化学法活性炭（化学炭）；2.物理法活性炭（物理炭）；3.化学-物理法或物理-化学法活性炭　

按外观形状分：

1.粉状活性炭；2.颗粒活性炭；3.不定型颗料活性炭；4.圆柱形活性炭；5.球形活性炭；6.其它形状的活性炭

按孔径分：

1.大孔孔径>1000A°；2.过渡孔孔径20—1000A°；3.微孔孔径<20A°

按材质分：

1.椰壳活性炭；2.果壳活性炭（包括杏壳活性炭、果核壳活性炭、核桃壳活性炭）；3.木质活性炭；4.煤质活性炭

1.4.3主要用途

主要用途：

1.空气净化；2.污水处理场排气吸附；3.污水、废水处理；4.石化无碱脱硫醇；5.溶剂回收；6.化工催化剂载体；7.滤毒罐；8.黄金提取；9.化工品储存排气净化；10.制糖、酒类、味精医药、食品精制、脱色；

1.4.4应用领域

应用领域：

1.石化行业；2.电力行业；3.化工行业；4.食品行业；5.黄金行业；6.环保行业；7.活性炭吸附法在水处理中的应用

1.4.5活性炭吸附性的影响因素

活性炭的吸附性能主要由其孔结构（孔形状、尺寸）和表面官能团决定[11]。

活性炭的孔结构：

活性炭的吸附能力来自其发达的孔隙，这些孔的形状各异、大小不同。

活性炭不同尺寸孔的存在及其间的协同作用，使活性炭对多种不同分子量的物质都显示出了优异的吸附性能[12]。

活性炭表面性质：

活性炭表面的氧化物及有机官能团（如羧基、羰基、羟基、酯等）能使活性炭同时具备特殊的表面化学特性，这又赋予活性炭以特殊的化学吸附性能[13]。

ph值：

几乎所有研究活性炭对染料吸附影响因素的文献都对ph值对活性炭吸附染料的影响作了实验分析。

pH值对活性炭吸附染料的影响不能一概而论，其结果与染料废水本身的组成与性质有关[14]。

温度：

吸附是放热反应。

吸附热越大，温度对吸附的影响越大。

因为液相吸附时吸附热较小，所以溶液温度的影响较小。

另一方面，温度升高会加剧分子的热运动，有利于活性炭的吸附。

温度对物质的溶解度有影响，因此对吸附也有影响。

1.5近年来人们利用活性炭处理印染废水的新方法

1.活性炭—双氧水法处理印染废水

在废水处理中，活性炭吸附一般适用于浓度较低的废水或深度处理。

对于印染废水，颗粒状活性炭对水中可溶性染料吸附性较好，但其吸附容量有限，而对悬浮状不溶性染料的去除效果较差。

当活性炭与双氧水联合作用处理印染废水时，双氧水在活性炭表面迅速分解放出原子氧或生成羟基自由基，这些强氧化剂能氧化吸附活性炭表面的染料分子，从而降低废水的COD和色度，提高处理效果[15]。

用活性炭吸附与双氧水氧化联合作用的方法处理印染废水，其处理效果比单独用活性炭吸附或双氧水氧化处理效果好。

该方法工艺简单，操作方便，具有较好的应用前景，但是活性炭的用量较大，成本较高[16]。

因此，活性炭的再生利用有待进一步研究。

2.臭氧—活性炭处理印染废水　

将臭氧—活性炭工艺用于染色加工中低浓度的洗涤废水处理，以达到最后处理水回用，从源头降低染整加工用水量，有一定的实用意义。

将臭氧和活性炭结合起来，利用臭氧对低浓度废水快速脱色，再用活性炭吸附水中残存的少量小分子物质和臭氧，这样臭氧“富集”在活性炭上可以继续对小分子有机物降解，从而使处理后废水中的溶解臭氧和小分子物质得以去除并延长了活性炭再生周期，处理后废水回用于染色后水洗工序[17]。

近几年来国也有人研究，可能是由于成本高的原因，但都是应用于饮用水和电厂用水等微污染水。

此外利用活性炭和氧化剂组合方法还有Fenton氧化—活性炭吸附组合处理印染废水[18]。

3.微波辐射—活性炭法处理印染废水

在颗粒活性炭吸附催化剂存在的条件下，微波辐射对印染废水的处理[19]。

微波是指波长为0.001M—1M、频率为300MHz—300000MHz的一种电磁波。

微波电磁场能使溶液中的极性分子产生高速的旋转碰撞而产生热效应，同时改变体系的热力学函数，降低反应的活化能和分子的化学键强度。

微波辐射—活性炭法处理印染废水，不是活性炭吸附作用与微波辐射作用的简单叠加，而是活性炭吸附与微波诱导催化协同作用的结果。

在微波场中，活性炭能有效地吸收微波能量，使得活性炭表面产生许多“热点”，这些“热点”处的能量比其它部位高得多，温度可达到1000度以上，当印染废水中的有机物被吸附到这些“热点”附近时，可能被催化氧化得以去除[20]。

4.生物—活性炭法处理印染废水

采用单一的吸附方法或是生物方法处理，效果均不尽人意。

采用活性炭吸附和生物降解相结合的生物活性炭法，将活性炭的吸附作用和微生物的生化作用结合在一起，有效延长活性炭的吸附能力，处理效果较佳[21]。

第二章实验

2.1试剂和仪器

主要试剂：

铬黑T，活性炭，蒸馏水，0.1mol/L和1.0mol/L的HCI，0.1mol/L和1.0mol/L的KOH等。

实验仪器：

22型分光光度计，PHS一25型酸度计，THZ一82恒温振荡器，离心机，电子天平，具塞离心管，胶头滴管，移液管，标签纸，烧杯，容量瓶1000ml若干，50ml锥形管10个，玻璃棒，洗瓶，废液缸，滤纸，比色皿，离心管，移液管架等。

2.2实验原理

活性炭吸附的具体原理：

吸附是一种物质附着在另一种物质表面上的缓慢作用过程。

吸附是一种界面现象，其与表面力、表面能的变化有关。

引起吸附的推动能力有两种，一种是溶剂水对疏水物质的排斥力，另一种是固体对溶质的亲和吸引力。

废水处理中的吸附，多数是这两种力的综合作用的结果。

染料如何测定：

铬黑T在573nm处有最大吸收，它在浓度较低时遵守朗伯一比尔定律，其浓度与吸光度成正比。

其吸附率的计算公式：

Vs=[（C1-C2）/A1]*100%

其中Vs为吸附率，C1为加入活性炭之前溶液的浓度，C2为加入活性炭之后溶液的浓度。

吸附量的计算公式：

Qt=（C1-C2）*V/m

Qt为t时刻活性炭对染料的吸附量（mg/g），C1为吸附前染料废水的浓度（mg/ml），C2为t时刻染料废水的浓度（mg/ml），V为染料废水的体积（ml），m为活性炭的质量（g）。

2.3实验步骤

2.3.1控制单一因素变量实验

活性炭的制备：

将活性炭研磨筛分后，用蒸馏水浸泡24h后，放入烘箱烘干存储备用。

1.染料最佳吸收波长的确定

准确称取染料0.0150g，溶解后转入1000mL的容量瓶中，定容，静置1h。

然后用722型分光光度计在可见光的围，每隔10nm进行一次测量。

得出数据如表2-1所示。

表2-1.波长与吸光度的关系表

波长

380

390

400

410

420

430

440

450

460

0.114

0.104

0.098

470

480

490

500

510

520

530

540

550

0.105

0.114

0.123

0.132

0.143

0.151

0.157

0.164

560

570

580

590

600

610

620

630

640

0.167

0.170

0.169

0.167

0.164

0.161

0.156

0.150

650

660

670

680

690

700

0.146

0.142

0.134

0.119

0.072

根据表2-1的数据，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图如2-1所示。

由图2-1可以看出吸光度的最大吸收波峰应该在560到585之间的区域里，然后在560-585区域里，每隔1nm进行一次测量，得出数据见表2-2所示。

图2-1.波长与吸光度的关系图

表2-2.波长与吸光度的关系表

波长

560

561

562

563

564

565

566

567

0.170

0.171

0.172

568

569

570

571

572

573

574

575

0.173

0.174

0.173

576

577

578

579

580

581

582

583

0.173

0.172

584

585

586

0.172

0.171

0.169

以波长为横坐标，吸光度A为纵坐标作图如2-2所示。

由图2-2可以得出铬黑T的最大吸收波长为573。

为减小误差，选取吸光度曲线的峰值波长作为以下的测定波长。

图2-2.波长与吸光度的关系图

2.铬黑T溶液吸光度标准曲线的绘制

配制铬黑T的标准溶液：

称取0.1g的铬黑T，溶解后转入1000ml的容量瓶

表2-3.浓度与吸光度关系表

浓度（mg/ml）

吸光度（A）

0.001

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.015

0.02

0.012

0.044

0.065

0.084

0.109

0.16

0.214

中，定容，摇匀，使其浓度为0.1mg/ml。

用移液管分别移取铬黑T标准溶液1、2、4、6、8、10、15、20ml于100ml容量瓶中，用稀释，定容，摇匀，使其浓度分别为0.001、0.002、0.004、0.006、0.008、0.01、0.015、0.02mg/ml。

以蒸馏水为参比，用分光光度计在波长573nm处，分别用1cm比色皿测定吸光度。

得出吸光度与浓度的关系，见表2-3所示

根据表2-3的数据，以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘出标准曲线，见图2-3所示。

图2-3.铬黑T溶液吸光度的标准曲线

其中，标准曲线的线性函数为：

Y=0.00131+10.61443*X（相关系数R=0.99988）

3.最佳吸附时间的确定

准确称取0.02g的铬黑T，溶解后转入1000ml的容量瓶中，定容，摇匀，使其浓度为0.02mg/ml。

从中分别取10份25ml加入50ml锥形管中，编号。

准确称取0.03g活性炭10份，同时分别加入1到10号锥形管中，放入恒温振荡器，温度恒定25℃，计时。

分别隔10、20、30、40、50、70、90、120、150、180min，依次取出1到10号锥形管，每取一次便将锥形管中的溶液转入离心管中，在离心机中离心振荡（2000转/分，10分钟）。

取上层清夜，以蒸馏水为参比，然后在573nm处进行测量。

得到时间与吸附率的关系，见表2-4。

表2-4.时间与吸附率关系表

吸附时间（min）

吸光度（A）

C2（mg/ml）

吸附率（%）

110

150

180

0.159

0.118

0.084

0.062

0.047

0.041

0.038

0.032

0.014838

0.010982

0.007783

0.005714

0.004303

0.004209

0.004115

0.003738

0.003456

0.002892

25.80838

45.09237

61.08397

71.43147

78.48659

78.95693

79.42727

81.30864

82.71966

85.54171

以时间为横坐标，吸附率为纵坐标作图如2-4所示。

图2-4.波长与吸附率关系图

由图2-4可以看出在恒温25℃，其本身的pH值下，0.02mg/ml浓度的铬黑T溶液用0.03g活性炭进行吸附，在50min达到吸附平衡，最佳吸附时间应该定在50min。

4.最佳PH值的确定

分别取25ml浓度为0.02mg/ml的铬黑T溶液6份于锥形管中，编号。

以0.1mol/L和1.0mol/L的HCI，0.1mol/L和1.0mol/L的KOH分别调整pH值至2.00、4.00、6.00、8.00、12.00附近，准确称取0.03g活性炭6份，同时分别加入1到6号锥形管中，放入恒温振荡器，恒温25℃，振荡50min。

将溶液转入离心管中，离心振荡（2000转/分，10分钟）。

取上清夜，以蒸馏水为参比，然后在573nm处进行测量。

数据如表2-5所示。

表2-5.PH值与吸附率关系表

PH值

吸光度（A）

C2（mg/ml）

吸附率（%）

1.95

4.05

6.2

10.1

11.93

0.036

0.047

0.088

0.014

0.002515

0.003268

0.004303

0.008065

0.008159

0.001198

87.42308

83.66035

78.48659

59.67294

59.2026

94.00785

根据以上数据，以PH值为横坐标，吸附率为纵坐标作图如2-5所示。

图2-5.PH值与吸附率关系图

由图2-5可以看出活性炭吸附铬黑T，在过酸或过碱的环境下吸附率增高，在中性和偏弱碱性环境下吸附率降低，最佳pH值应该在强碱环境下。

但因为强酸强碱的环境对实际的操作条件要求较高，在pH为4.05时，吸附率为83.7%。

所以最佳pH值定为pH=4.00。

5.最佳温度的确定

在pH=4.00下，分别取25ml浓度为0.02mg/ml的铬黑T溶液6份于锥形管中，编号。

准确称取0.03g活性炭6份。

将其中一份活性炭加入1号

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