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水和废水中往往有多种有机污染物共存,研究树脂对多组分有机物的吸附行为,并利用多组分协同竞争吸附效应来增强树脂对多组分有机污染物的吸附容量、加快吸附速率,对于树脂吸附法在废水治理领域的应用具有重要意义。因此,本论文系统地研究了甲萘酚/甲萘胺、苯酚/苯胺等酚/胺双组分水溶液在交联聚苯乙烯吸附树脂(Amberlite XAD-4、NDA-100、NDA-1800、NDA-16)上的协同竞争吸附行为,并从静态平衡吸附、静态动力学吸附、固定床动态吸附以及双组分共吸附、预载吸附等多角度全面分析了协同竞争吸附行为规律及作用机制。
甲萘酚/甲萘胺的单组分或双组分体系在树脂上的主要吸附推动力均是吸附质分子的芳环与树脂骨架苯环之间的π-π作用,吸附过程符合准二级吸附动力学,吸附速率主要受颗粒内扩散的物理传质过程控制,膜扩散对吸附过程虽有一定的影响,但不是主要的控速步骤。
静态平衡共吸附、静态动力学共吸附和固定床动态共吸附研究表明,树脂对双组分水溶液中甲萘酚或甲萘胺的吸附量和吸附速率均小于相同条件下对单组分水溶液中甲萘酚或甲萘胺的吸附量和吸附速率,呈现竞争吸附现象;树脂对双组分水溶液中甲萘酚与甲萘胺双组分的总吸附量和总吸附速率却均大于相同条件下对单组分水溶液中甲萘酚或甲萘胺的吸附量和吸附速率,呈现协同吸附现象。对吸附位点和扩散孔道的直接竞争是甲萘酚和甲萘胺在吸附树脂上竞争吸附的主导机制;而树脂内外表面上甲萘酚和甲萘胺分子之间的氢键作用是协同吸附的主导机制。
本论文引入协同效应参数,建立了评价双组分共吸附协同竞争效应的数学模型MLM。与竞争吸附模型ELM相比,MLM模型能更好地描述双组分水溶液在树脂上的静态平衡吸附行为,能比较准确、合理的预测树脂对甲萘酚/甲萘胺、苯酚/苯胺双组分的平衡吸附量。研究表明:协同吸附效应一般随着树脂吸附量的增加而增强;树脂孔径大、微孔区域比例小、吸附质分子直径小,协同效应大。 预载树脂的静态平衡和动力学吸附研究表明,预载XAD-4树脂对甲萘酚或甲萘胺的吸附量大于相同平衡浓度下对单组分水溶液中甲萘酚或甲萘胺的吸附量,呈现出协同吸附现象;而预载NDA-100树脂则由于孔道阻塞而呈现出竞争吸附现象;预载XAD-4和NDA-100树脂对甲萘酚或甲萘胺的吸附速率和传质速率均小于对单组分水溶液中甲萘酚或甲萘胺的吸附速率和传质速率,呈现出竞争吸附现象。
采用XAD-4树脂固定床吸附工艺治理甲萘酚生产废水(COD约1000mg/L,甲萘酚和甲萘胺浓度分别为约280和180mg/L),系统研究并优化了工艺参数。吸附:pH值6左右,室温,流量10BV/h(BV为树脂床层体积),处理量75BV/批次;脱附:脱附剂3BV 95%乙醇(5%水),温度60℃左右,流量2BV/h。吸附出水无色透明,COD<100mg/L,去除率约92%,甲萘酚和甲萘胺总浓度<3.5mg/L,去除率约99%,可作为洗水回用;自高浓度脱附液可蒸馏回收脱附剂95%乙醇(5%水),蒸馏釜底剩余的甲萘酚和甲萘胺混合物返回生产工段。研究结果表明该工艺合理可行,技术先进,操作简便,集废水治理与资源回收于一体,实现了经济效益、环境效益和社会效益的统一。