废轮胎热解炭黑制备活性炭及处理染料废水

中国环境科学2018,38(10)：3795~3800ChinaEnvironmentalScience废轮胎热解炭黑制备活性炭及处理染料废水刘俊,陈云嫩*,聂锦霞(江西理工大学江西省矿冶环境污染控制重点实验室,江西赣州341000)摘要：分别采用H2SO4和NaOH对废轮胎热解炭黑进行改性处理,考察炭黑与改性剂固液比对染料废水脱色率的影响.实验结果表明,炭黑与H2SO4固液比1g/15mL时得到HBC(酸改性活性炭)处理酸性湖蓝溶液,脱色率最高;炭黑与NaOH固液比1g/10mL时得到NBC(碱改性活性炭)处理碱性湖蓝溶液,脱色效果最好.溶液的酸性越强,越有利于HBC对酸性湖蓝溶液的脱色效果;而溶液的碱性增大,有助于提高NBC对碱性湖蓝的脱色率.此外,HBC对酸性湖蓝与NBC对碱性湖蓝的吸附反应变化趋势非常接近,整个吸附反应迅速,20min后基本达到吸附反应平衡.HBC吸附酸性湖蓝和NBC吸附碱性湖蓝的过程均符合准二级动力学方程.对改性前后的固体物质进行了扫描电镜,红外光谱及比表面积分析.关键词：废轮胎热解炭黑；改性；活性炭；吸附；酸性湖蓝；碱性湖蓝中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2018)10-3795-06Preparationofactivatedcarbonfromwastetirepyrolysiscarbonblackanditstreatmentofdyeingwastewater.LIUJun,CHENYun-nen*,NIEJin-xia(JiangxiKeyLaboratoryofMining&MetallurgyEnvironmentalPollutionControl,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China).ChinaEnvironmentalScience,2018,38(10)：3795~3800Abstract：Chinaistheworld'slargestconsumerofrubber,theannualproductionofmorethan400millionwastetires.Pyrolysisofwastetyreisarecyclingroutewithhighvalue-addedandenvironmentallyfriendly.Thehighercolorofdyewastewaterhasaseriousimpactontheecologicalenvironment.Inthispaper,H2SO4andNaOHwereusedtomodifythepyrolyticcarbonblackofwastetire.TheexperimentalresultsshowedthatwhentheratioofcarbonblacktoH2SO4was1g/15mL,thebestdecolorizationrateofacidlakebluesolutionwasobtainedoverHBC.Also,NBCobtainedwiththeratioofcarbonblacktoNaOH1g/10mLwasgoodfortreatingbasiclakebluesolution.Thestrongertheacidityofthesolution,thebetterthedecolorizationeffectofHBContheacidlakebluesolution.Onthecontrary,thestrongerthealkalinityofthesolution,thebettertheNBConthebasiclakebluesolution.Inaddition,theadsorptionprocessofacidlakeblueoverHBCandalkalinelakeblueoverNBCwasveryclose.Thewholeadsorptionreactionwasveryfast.After20min,theadsorptionequilibriumwasbasicallyreached.TheadsorptionprocessofacidlakeblueoverHBCandalkalinelakeblueoverHBCconformtothepseudosecond-orderkineticequation.Thepropertiesofscanningelectronmicroscope,infraredspectrumandspecificsurfaceareaofsolidmaterialsbeforeandaftermodificationwereanalyzed.Keywords：wastetirepyrolysiscarbonblack；modification；activatedcarbon；adsorption；acidlakeblue；basiclakeblue我国是全球橡胶第一消耗大国,年生产废轮胎已超过4亿条.废轮胎的存在不仅占用了大量土地,而且严重威胁着环境[1-2].目前废轮胎综合利用的途径有多种,包括原形改造废旧轮胎[3],翻新旧轮胎[4],利用废轮胎生产再生橡胶[5],利用废轮胎生产硫化橡胶粉[6],利用废轮胎发电供热等[7-9].但再生橡胶和其他原形改制方式都不是终极处理方式,这些制品经长时间使用报废后仍是需处理的废橡胶制品.研究发现,废轮胎热裂解是一条附加值高且环境友好的回收路线[10-15],且其产生的热解炭黑是一种含碳量丰富的固体物质,可将其改性后作为活性炭进行高附加值利用.染料废水成分复杂,尤其是色度较高,已严重破坏水体、土壤及生态环境[16-17].随着科技进步以及污染治理技术的不断发展,发现不少行之有效的处理染料废水的方法,其中吸附法[18-19]简单易行,能将废水中的染料去除,而不增加水体的盐度,经济适用,成为目前和未来研究的热点之一.本文以酸性湖蓝和碱性湖蓝2种常见的染料废水为处理对象;选用废轮胎热解炭黑为主要原料,通过H2SO4和NaOH对炭黑进行改性处理,制备活性炭吸附剂.对2种模拟染料废水进行吸附处理,在静态试验研究过程中,考察废轮胎热解炭黑和改性剂的固液比、溶液pH值、反应时间等因素对模拟酸性、碱性湖蓝废水处理效果的影响.1材料与方法1.1实验原料收稿日期：2018-06-20*责任作者,教授,[e-mail]3796中国环境科学38卷以废轮胎热解炭黑为主要原料,研磨过筛取粒径小于0.28mm的废轮胎热解炭黑置于玻璃容器中待用.1.2模拟染料废水的配制配制储备液浓度为2.5g/L的酸性湖蓝和2.5g/L的碱性湖蓝,实验所用模拟染料废水浓度由蒸馏水稀释储备液所得.1.3废轮胎热解炭黑的改性处理将废轮胎热解炭黑和改性剂(3mol/LH2SO4或6mol/LNaOH)按不同固液比置于锥形瓶中,密封后在60℃水浴恒温搅拌器中进行改性实验,改性时间为24h.将改性后的炭黑过滤,蒸馏水洗涤至pH=7后,于烘箱(80℃)中烘干,得到2种活性炭HBC(酸改性活性炭)和NBC(碱改性活性炭).1.4吸附实验室温(30±2)℃下,分别向100mL的500mg/L酸性湖蓝和125mg/L碱性湖蓝溶液中加入一定量的活性炭,在磁力搅拌器上反应.一定时间后,过滤出上清液,滤液中的染料用分光光度计测其吸光度,并计算模拟染料废水的脱色率.印染废水脱色率(η)的计算公式如下:00()100%CCCη−=×(1)式中:C0为模拟印染废水初始浓度,mg/L;C为反应后印染废水浓度,mg/L.2结果与分析2.1炭黑与改性剂固液比对废水脱色效果影响实验中,HBC用量5g/L,反应时间为30min,废水初始pH值为3;同样的试验条件下考察了炭黑对两种染料废水的脱色效果,结果如图1所示.从图1可以看出,随着炭黑与改性剂固液比的增大,HBC对酸性湖蓝溶液的脱色效果越好.当固液比为1g/15mL时脱色效果最好,脱色率达到94.23%;继续增大固液比,脱色效果下降.另外,从图中还可以看出,H2SO4改性得到的活性炭HBC对酸性湖蓝的脱色效果远远高于炭黑.实验中,NBC用量10g/L,反应时间为30min,废水初始pH值为10;同样的试验条件下考察了炭黑对两种染料的脱色效果,结果如图2所示.图2显示,NaOH改性得到的活性炭NBC对碱性湖蓝的脱色效果好于炭黑.随着炭黑与改性剂固液比的增大,对碱性湖蓝溶液的脱色效果越好.当固液比为1g/10mL时脱色效果最好;继续增大固液比,脱色效果下降.1/01/51/101/151/201/251/305060708090100HBC处理酸性湖蓝HBC处理碱性湖蓝脱色率(%)固液比(g/mL)图1炭黑与改性剂固液比对HBC处理染料废水的影响Fig.1Effectofsolid-liquidratioonHBCtreatmentofsimulateddyeingwastewater1/01/51/101/151/205060708090100110NBC处理酸性湖蓝NBC处理碱性湖蓝脱色率(%)固液比(g/mL)图2炭黑与改性剂固液比对NBC处理染料废水的影响Fig.2Effectofsolid-liquidratioonNBCtreatmentofsimulateddyeingwastewater鉴于图1和图2结果,后续只考虑炭黑与H2SO4固液比1g/15mL时得到HBC处理酸性湖蓝溶液,以及炭黑与NaOH固液比1g/10mL时得到NBC处理碱性湖蓝溶液.2.2染料废水pH值对染料废水脱色效果影响实验中,HBC用量5g/L,NBC用量10g/L,反应时间均为30min,考察pH值在2~13范围内对染料脱色效果的影响,结果如图3所示.如图3所示,pH值越小,即溶液的酸性越强,越有利于HBC对酸性湖蓝溶液10期刘俊等：废轮胎热解炭黑制备活性炭及处理染料废水3797的脱色效果;反之,pH值的增大有助于提高NBC对碱性湖蓝的脱色率.24681012145060708090100110HBC处理酸性湖蓝NBC处理酸性湖蓝脱色率(%)pH值图3染料废水pH值对染料废水脱色率的影响Fig.3EffectofpHvalueondecolorizationrateofsimulateddyeingwastewater2.3反应时间对染料废水脱色效果影响实验中,HBC和NBC用量分别为5g/L和10g/L,pH值分别为3和11,考察反应时间对染料脱色效果的影响,结果如图4所示.两组吸附反应过程的趋势非常接近,且整个吸附反应非常快速,尤其是在前10min,随着反应时间的增加,酸性湖蓝和碱性湖蓝的脱色率提高很快;20min后脱色效果趋于平缓,说明基本达到吸附反应平衡.0102030405020406080100HBC处理酸性湖蓝NBC处理碱性湖蓝脱色率(%)时间(min)图4反应时间对染料废水脱色率的影响Fig.4Effectofcontacttimeondecolorizationrateofsimulateddyeingwastewater2.4活性炭吸附处理染料废水动力学分析HBC吸附酸性湖蓝的动力学拟合曲线如图5所示.NBC吸附碱性湖蓝的动力学拟合曲线如图6所示.010203040500.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0lg(qe-q)t(min)R2=0.70(a)010203040500.00.10.20.30.40.50.6t/q(gmin/mg)t(min)R2=0.99(b)图5HBC吸附酸性湖蓝的动力学拟合曲线Fig.5FittedcurveofadsorptionkineticsofacidiclakebluebyHBC(a)准一级动力学,(b)准二级动力学由图5(a)可以看出,准一级动力学方程对HBC处理酸性湖蓝溶液的吸附