由于有机实验室的废水对环境的污染程度很高,对其处理越来越受到重视。主要研究用椰壳、香蕉皮、香蕉茎杆、香蕉叶、甘蔗渣活性炭和普通木炭活性炭处理有机实验室废水,探索各种海南本地植物废弃物制备的活性炭对有机实验室废水的处理能力。在此基础上,讨论了具有最优处理能力的活性炭粒径对其吸附能力的影响。最后得出结论,甘蔗渣活性炭处理有机废水的效果是最好的,其粒径限定在100~120目大小为宜。
长期以来,高校及科研院所实验室产生的有毒、有害废物未能引起有关部门重视。其中废水中所含有毒、有害物质最多,若不对其处理就直接排放,对环境的危害是很大的。废水中含有大量的污染性物质,其中又以有机实验室废水的污染为最。各科研院所实验过程中产生的有机废水主要含烷烃、芳香烃、卤代烃、醇、酚、醚、醛、羧酸、胺及其反应后的各种化合物、酸碱等污染物。目前有机废水的处理一般采用焚烧法、溶剂提取法、氧化分解法、水解法以及生物化学法,当然也有用活性炭法处理有机实验室废水。
活性炭作为一种优质的吸附剂具有独特的孔隙结构和表面官能团,对气体、溶液中的有机或无机物质以及胶体颗粒等有很强的吸附能力,具有足够的化学稳定性、机械强度及耐酸、耐碱、耐热、不溶于水和有机溶剂,使用失效后容易再生等良好性能,使它在各行各业有着广泛而重要的用途。实验表明,活性炭对废水中有机物的清除率高于实验室中的测定值。活性炭的吸附能力受到多种因素的影响,不同原料、不同制备方法及不同孔径大小的活性炭其吸附能力都有很大的差别[4-5]。
椰子、香蕉和甘蔗是三种在海南广泛分布并大量种植的植物,由于海南人爱吃椰子、香蕉和甘蔗,再加上工厂中制糖的需求,每年海南的椰子、香蕉和甘蔗的消耗量很大,而随之就产生了大量的椰子壳、香蕉茎杆、香蕉皮及甘蔗渣这样的生物质废弃物。
将这些废弃物转化为活性炭用以处理实验室有机废水是废物利用、保护环境的一种很好的方式。椰壳、香蕉茎杆、香蕉皮与甘蔗渣制备活性炭,都有文献记载[6-11],但这些文献的关注点并不在于不同生物质产生的活性炭彼此处理有机废水效率的差别。本文主要在这方面开展研究,这样不仅可以将废弃物变废为宝,又可以将有机实验室废水进行合理处理,从两个方面都起到了对环境的保护作用。
1.实验过程
1.1仪器与药品
(1)器材:BSA124S电子天平、TU-1901紫外-可见分光光度计、电热恒温鼓风干燥箱DHG-9030A型。
(2)试剂:KMnO4
(AR)、Na2C2O4(AR)、盐酸/硫酸(AR)、其中盐酸要稀释为2mol/L、硫酸稀释为3mol/L。
(3)废液样品:本校有机实验室废水。
(4)材料:废弃椰子壳、废弃甘蔗渣、废弃香蕉茎杆、废弃香蕉叶、废弃香蕉皮、市售木炭。
1.2活性炭的制取
(1)炭粒的制取
取适量干燥后的椰壳,切碎,装入一个30mm×200mm的硬质试管,在试管两端塞上棉团,再塞上带导管的橡皮塞,之后用酒精喷灯加热,并不断转动试管及移动喷灯,使椰壳碎末能够受热均匀,直到不再产生气体或见炭粒加热至红炽即可撤去酒精喷灯[5,12]。用同样的方法制得香蕉茎杆、香蕉叶、香蕉皮与甘蔗渣炭粒,普通木炭则由市场直接购买。
(2)炭粒的活化
本实验采用盐酸浸泡法对炭粒进行活化。取出按上步骤生成的炭粒放进一烧杯,倒入50mL2mol/L盐酸,用酒精灯加热煮沸15min,溶液呈淡黄色,弃去杯内溶液,再倒入50mL2mol/L盐酸煮沸15min,以除去炭粒中的杂质。冷却后过滤,用蒸馏水洗涤三次,再把滤纸上的炭粒倒在另一个干净的、盛有50mL蒸馏水的烧杯里,煮沸15min,弃去杯内溶液,再换新蒸馏水煮沸几次,用pH试纸检验,开始水溶液显酸性,最后显中性。把含有炭粒的溶液过滤。
(3)活性炭的干燥
将上述过滤后的活性炭粒放入一干净的蒸发皿中,一并置于105℃干燥箱中干燥3~4h。然后将其装入一个洁净、干燥的瓶中保存,以备后用。
1.3样品处理和测定
(1)活性炭处理废水
活性炭对有机实验室废水的处理效果与制备活性炭的原材料有关,也与活性炭的粒度、制备温度、制备方法有着密切的关系。本文主要讨论的是原材料与粒度对处理效果的影响。
①不同原材料活性炭对有机实验室废水处理效果的影响。由于椰子壳活性炭、木炭与甘蔗渣活性炭的对比,及香蕉各部分活性炭与甘蔗渣活性炭的对比并不是同一时间完成的,所以尽管过程类似,但为了准确,下面对实验过程分别进行描述。
取4份完全相同的有机实验室废水样品,每份30mL,编号为1~4,其中1号为空白对照样品,向2~4号中分别加入上述制得的相同粒度的椰壳活性炭、甘蔗渣活性炭和普通木炭活性炭各1.5g,静置2h,然后过滤,对滤液和1号样品进行检测。
另外取4份完全相同的有机实验室废水样品(由于和上面实验不在一天,两种实验室废水不同),每份30mL,编号为1'~4',其中1'号为空白对照样品,向2'~4'号中分别加入上述制得的相同粒度的香蕉皮、香蕉茎杆、香蕉叶活性炭及甘蔗渣活性炭各2g,静置2h,然后过滤,对滤液和1'号样品进行检测。
②不同粒度的活性炭对有机实验室废水处理效果的影响。在原材料实验中得到的处理效果最好的甘蔗渣活性炭,研磨。然后依次过22目、50目、100目、120目的标准样品筛,分别取分布在50~22目、100~50目、120~100目、120目以下的活性炭各0.5g,按照前面相同的步骤进行实验检测。
(2)需检测样品中有机物浓度的测定
为了准确,本文采用两种方法检测滤液中剩余有机质。一种是KMnO4滴定法,每次取
(1)实验中得到的需检测溶液,各加入10mL3mol/L的硫酸溶液,用浓度为0.0197mol/L的KMnO4标准溶液进行滴定,比较不同样品KMnO4消耗量的差别。
另外一种方法是取
(1)实验中得到的所需检测的溶液,以紫外可见分光光度计在波长为200nm~700nm波段进行扫描,比较相同吸收峰的变化。
2.实验结果
2.1不同原材料活性炭对有机实验室废水处理效果的影响
由不同原材料活性炭对有机实验室废水处理效果的影响见表1、表2。
由表1和表2可以看出,无论哪种情况,滴定甘蔗渣处理后的废水所用的KMnO4标准溶液的量都是最少的,即可知在六种类型的活性炭中,甘蔗渣处理后的废水所含的有机物是最少的,也就是说甘蔗渣活性炭处理有机废水的效率是最高的。
KMnO4法的结果在对残余有机物使用紫外可见分光光度计进行扫描时得到了相同的结果。由下面两种光谱图可以看出(见图1、图2),由甘蔗渣活性炭处理的废水(皆位于两张图中的最下方)其吸收峰最小,显示其处理效果明显好于其余几种活性炭。
图1椰壳活性炭、甘蔗渣活性炭、木炭的对比-紫外可见光谱法
图2香蕉皮、香蕉茎杆、香蕉叶、甘蔗渣活性炭的对比—紫外可见光谱法
2.2不同粒径甘蔗渣活性炭有机实验室废水处理效果的影响
由表3可以看出,滴定由120目以下甘蔗渣活性炭处理后的废水所用的KMnO4标准溶液的量最少,但与由120~100目甘蔗渣活性炭处理后的废水所用的KMnO4标准溶液的量相差不大。
由图3可以看出,紫外-可见光谱得到的结果与KMnO4法得到的结果是相同的:120~100目与120目以下活性炭处理的效果比其它几个处理的效果要好得多;但120~100目与120目以下活性炭处理的效果却没有多大的区别,仅能从最高峰位置看出,120~100目的处理的效果略差,吸光度略高;120目以下的效果相对来说略好,吸光度略低。但总体来说,二者处理效果近似,因此,真处理时,用120~100目以下的活性炭就足够了。
图3不同粒径甘蔗渣活性炭对有机废水处理的影响—波谱法
3.结论
经过对以上几种活性炭处理有机废水及不同粒径甘蔗渣活性碳处理有机废水的结果分析,可以得出两个结论。
(1)甘蔗渣活性炭处理有机废水的效果比所有其它几种活性炭的处理效果要好得多。
(2)粒径越小的甘蔗渣活性炭其吸附效果也越好,但粒径低至120目以下对活性炭的吸附贡献已经很小,建议选择100~120目大小的活性炭处理即可。
以上的实验结果也是本文作者所期望的,海南当地的甘蔗很多,而所产生的甘蔗渣又没有加以任何利用,直接当做垃圾处理。所以甘蔗渣活性炭有取材方便,制作简单,吸附效果明显等优点。用甘蔗渣活性炭处理有机实验室废水,一方面减少了实验室废水对环境的污染,另一方面利用废弃的甘蔗渣制作活性炭,使甘蔗渣变废为宝,减少了环境污染美化了环境。