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酚类化合物来源于炼油、化工等工业生产过程,由于其具有毒性和难生物降解性,会严重污染水环境,已引起人们高度重视。活性炭纤维(ACFs)具有吸附容量大、吸附速率快等优点,陶瓷膜具有分离效率高、化学稳定性好等优势,可应用于水中微量有机物的脱除。本文将ACFs吸附和陶瓷膜技术组合,用于脱除水中酚类化合物,考察了ACFs对苯酚的静态和动态吸附性能、操作条件对陶瓷膜过滤苯酚溶液的性能影响以及酚类化合物对ACFs与膜工艺的影响,为含酚水的处理提供了技术基础。 ACFs的表征与静态吸附性能研究。采用SEM、BET等方法表征了ACFs微观结构,考察了温度和溶液pH值对ACFs静态吸附苯酚的性能影响,并进行了吸附动力学和热力学参数的拟合计算。结果表明,ACFs的纤维直径大约为8μm,比表面积为829.4 m2/g,pHpzc为7.5。升高温度,ACFs的最大吸附容量(Qmax)减小,动力学吸附速率常数(K2)变大,吸附过程的吉布斯自由能(ΔG)的绝对值减小,吸附热力学参数(ΔH和ΔS)和吸附活化能(Ea)分别为-10.2 kJ/mol、-23.6 J/(mol·K)和55.2 kJ/mol,吸附过程为物理吸附。pH值对ACFs的吸附性能影响显著,当pH=7.5时,ACFs的Qmax和K2最大分别为288mg/g和89 mg/(mg·min);当pH≤7.5时,ACFs对苯酚的吸附作用主要是π-π键间作用力;当pH>7.5时,影响吸附效果的主要是ACFs与苯酚分子之间的静电作用力。 ACFs对苯酚的动态吸附和再生性能研究。考察了有效填料高度、进料流量、苯酚初始浓度以及溶液pH值对ACFs动态吸附苯酚的影响,并研究了ACFs的脱附再生方法。结果表明,增加有效填料高度、提高进料流速和减小进料液中苯酚浓度,ACFs的平衡吸附量均减小;当苯酚溶液pH≤7.5时,有利于ACFs吸附。淋洗液中NaOH浓度为0.002mol/L时,ACFs的再生率最大为73.30%。经过8次吸附-脱附之后,ACFs对苯酚的吸附量衰减了7.72%,说明ACFs吸附苯酚的能力衰减不明显。 陶瓷膜对苯酚溶液的过滤性能研究。考察了陶瓷膜截留分子量、操作压力、溶液pH值和苯酚浓度对膜渗透通量和苯酚截留率的影响。结果表明,随着陶瓷膜截留分子量和操作压力的增加,膜渗透通量相应增加,但苯酚的截留率减小;溶液pH值增加,膜渗透通量呈下降趋势,苯酚截留率增大;苯酚浓度增大,膜渗透通量和苯酚的截留率均减小。当溶液pH=12时,在温度为15℃、操作压差为0.1 MPa、膜面流速为1m/s的条件下,截留分子量为7500 Da的陶瓷膜对苯酚的截留率约为30%,渗透通量为80 L/(m2·h)。 酚类化合物对ACFs与陶瓷膜工艺脱除效果的影响。考察了五种酚类化合物对ACFs吸附、膜过滤以及ACFs与膜组合工艺的脱除效果的影响。结果表明,ACFs对五种酚类化合物的去除率顺序为2,4-二氯苯酚≈4-硝基苯酚>4-氯苯酚≈2-氯苯酚>苯酚,即随着取代基的增多,ACFs的吸附去除率增强;随溶液pH值的升高,陶瓷膜对酚类化合物的截留率增大,膜通量略有下降,膜的截留率由高到低顺序为4-硝基苯酚>2,4-二氯苯酚>2-氯苯酚>4-氯苯酚≈苯酚;ACFs-膜组合工艺对酚类化合物的去除率的顺序为4-硝基苯酚≈2,4-二氯苯酚>4-氯苯酚≈2-氯苯酚>苯酚,ACFs与膜组合工艺的去除效果优于单独的ACFs吸附和膜过滤工艺。