活性炭去除甲醇介質(zhì)中的苯

　　揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)排放量的增加離不開迅速發(fā)展的工業(yè)，苯毒性比較強(qiáng)、易揮發(fā)、溶解性很強(qiáng)的VOC之一，很容易被引入水體。在石化行業(yè)的許多排放物都會用苯污染生態(tài)系統(tǒng)。此外，地下儲油罐泄漏和油井、煉油廠和運(yùn)輸泄漏等自然事故增加了這種物質(zhì)在環(huán)境中的存在。吸附技術(shù)是去除空氣中VOC 污染的最有前途的方法之一，因?yàn)樗鼈兒唵巍⒈阋饲夜?jié)能，吸附劑一般用的特制的活性炭。基本處理方法經(jīng)過了三個(gè)步驟相結(jié)合的方法從甲醇介質(zhì)中去除苯。該技術(shù)包括使用活性炭 進(jìn)行吸附、使用甲醇解吸以獲得高濃度溶液以及使用特殊電極對其進(jìn)行電化學(xué)處理。

　　電化學(xué)氧化

　　制備含有300mg/L-1苯的甲醇溶液和含有50mmol/L-1電解質(zhì)(H2SO4)的水介質(zhì)，以確定污染物的去除效率。初始pH值約為1.5，在電化學(xué)過程測試期間未觀察到顯著變化。使用包含電極作為陽極和鈦板作為陰極的單隔室壓濾流動池(在圖1中詳細(xì)表示)進(jìn)行電解，其具有13.5cm2的明顯幾何面積。兩個(gè)電極由墊片隔開，距離為4毫米。使用含有1L溶液的夾套玻璃容器，蠕動泵以1L/min-1的速度將溶液泵入熱交換器，然后循環(huán)通過電池。使用恒溫浴將溫度控制在25℃。在恒電流模式下以50mA/cm-2的電流密度進(jìn)行電解。使用前，將陽極在H 2 SO4/0.05mol/L-1溶液中以40mA/cm-2極化20分鐘， 以從其表面去除任何雜質(zhì)。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)一式三份進(jìn)行。

　　圖1：實(shí)驗(yàn)測試裝置。

　　吸附能力測試

　　苯在甲醇或純水作為溶劑的樣品評估活性炭的吸附能力。苯溶液與不同量的活性炭(從0.01到0.50g)混合以獲得不同的吸附曲線。實(shí)驗(yàn)在250mL的密封硼硅酸鹽玻璃瓶中進(jìn)行，并置于25℃的恒溫浴中。將溶液在180rpm 的磁力攪拌下保持48小時(shí)以確保達(dá)到熱力學(xué)平衡。解吸測試以類似的程序進(jìn)行：過濾水溶液，將吸附的含有苯的活性炭與30mL甲醇混合。零電荷點(diǎn)(pHpzc)的pH值由pH漂移法確定。

　　活性炭的實(shí)際吸附效果

　　活性炭對苯在水溶液中的吸附測試結(jié)果。從圖2a 中可以看出，在最少數(shù)量的活性炭的情況下大約5小時(shí)的實(shí)驗(yàn)后達(dá)到熱力學(xué)平衡，而對于含有大量吸附劑的瓶子，在2.5小時(shí)后達(dá)到熱力學(xué)平衡。正如預(yù)期的那樣，增加活性炭的量會降低平衡時(shí)的濃度。值得注意的是，在氣相中也達(dá)到了熱力學(xué)平衡(圖2b)，遵循相同的溶液曲線。有趣的是，氣相和液相中的濃度是成比例的。當(dāng)使用0.500g活性炭時(shí)，苯的最大吸附量接近25mg，如在圖2c，0.010g活性炭的最小用量為15mg。

　　圖2：苯濃度隨水溶液(a)氣相苯濃度 (揮發(fā)) (b) 和吸附在活性炭中的苯質(zhì)量 (c) 在不同活性炭的水溶液中的吸附測試期間衰減。

　　在甲醇溶液中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的情況下，在添加的任何不同量的活性炭中吸附的苯量為零。事實(shí)上，在分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，甲醇通常用于從活性炭中解吸有機(jī)物，并且對結(jié)果的分析證明，這種溶劑可以非常有效地從活性炭中解吸苯。值得注意的是，在甲醇溶液的情況下，氣相中苯的量比在水介質(zhì)中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)要少得多。在甲醇溶液中，氣相中的濃度與水溶液中的濃度一樣低。除此之外，水溶液中兩種濃度之間的比例是顯而易見的。考慮到這些結(jié)果，在甲醇介質(zhì)中對苯進(jìn)行電化學(xué)處理是非常有前景的，因?yàn)檩^少量的苯可以進(jìn)入大氣。

　　苯在水中和甲醇中的等溫線(吸附在活性炭上的苯量 (qe ) 與溶液中苯的平衡濃度(Ce)的關(guān)系)如圖3a所示。在水中的保留能力大于在甲醇中的保留能力。這意味著甲醇是一種非常好的溶劑，可以將吸附在活性炭上的苯從污染的水中解吸出來，從而生成高濃度的溶液。這在使用甲醇的解吸測試中得到證實(shí)，如圖3所示。用甲醇非常迅速地從活性炭中解吸全部量的苯，經(jīng)過6小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，解吸步驟達(dá)到熱力學(xué)平衡。這意味著污染物可以在甲醇中預(yù)先濃縮，這種溶液可以在以后用于降解污染物。這項(xiàng)技術(shù)已被證明是非常有用的。

　　圖3：苯在水和甲醇中的吸附等溫線(a)和苯(b)在0.030L甲醇中不同量的活性炭中的吸附等溫線。左軸甲醇上的苯濃度和右軸活性炭中剩余的苯質(zhì)量。

　　活性炭去除甲醇介質(zhì)中的苯，用實(shí)際證明了這三種組合工藝處理受苯污染的廢水的可行性。主要結(jié)論如下，甲醇溶液中的活性炭上沒有苯吸附。這證明甲醇是一種非常好的解吸污染物的溶劑。通過加熱步驟將污染物脫附后，活性炭可以回收再利用，并且該過程在經(jīng)過三個(gè)吸附/脫附步驟后其吸附能力沒有變化。用甲醇解吸后，得到高濃度污染物的溶液。該溶液可以通過電化學(xué)過程進(jìn)行有效處理，通過礦化和轉(zhuǎn)化為其他副產(chǎn)品去除大部分污染物。考慮到動力學(xué)，電化學(xué)處理從甲醇溶液中去除苯的性能與在水中的處理沒有太大差異，但能耗更大。此外，如果在電解中使用非水溶劑，則生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品可能是礦化的有希望的替代方案。

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