一种含染料的废水处理装置及处理方法

1.本发明涉及废水染料处理技术领域，具体涉及一种含染料的废水处理装置及处理方法。

背景技术：

2.环境保护技术是当今世界的一大主题，而分离技术是实现环境治理的关键技术。一方面一般的生活或生产废水中或多或少含有各种粒径不一的颗粒，如：泥土、砂石和各种悬浮物等。另一方面由于废水溶液体积大，废水中的目标分子通常以低浓度形式存在，这一特征在工程上的体现就是分离规模大。这种复杂分离体系给分离技术带来了新的挑战：一方面要求分离技术能适用于复杂的颗粒溶液体系，另一方面要求分离技术易于连续和放大，以便实现其在这些新体系中的高效大规模应用。因此，发展易于连续和放大、可适用于复杂颗粒溶液体系的高效分离技术对于解决当前严峻的环境问题具有非常重要的意义。
3.吸附分离技术由于具有成本低、吸附材料来源广、吸附剂大多可再生使用、操作简单、分离效率高等优点，在水处理领域有着广泛的应用。但由于传统的吸附剂大都是颗粒状的，因此单纯的吸附分离存在以下几个问题：一是吸附剂的回收过程冗杂，需使用洗脱液脱附、洗涤，颗粒状吸附剂若要再生使用还要洗柱、装柱。这样也会使得吸附过程难以连续运行。二是吸附分离难以适用于含悬浮颗粒的溶液体系，因为颗粒与颗粒间的分离十分困难；三是单纯的吸附分离法只能短程近距离吸附周围溶液中的吸附质。而气浮分离技术可实现对废水中亲水性和疏水性污染物的高效富集分离和远距离捕获，因此本发明提出一种高效的可直接适用于悬浮废水处理全流程连续的装置和方法。

技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种含染料的废水处理装置及处理方法。
5.本发明提供了一种含染料的废水处理装置，包括气浮柱，其顶部开口，底部设有进气端，所述进气端与供气设备连接；
6.吸附剂带；
7.传动机构，包括主动轮和多个从动轮，所述主动轮与驱动电机的输出轴连接，所述吸附剂带套装于主动轮和多个从动轮上构成带轮传动机构；所述吸附剂带吸附染料后依次经过设在气浮柱外周的脱附糟和清洗槽后再次进入气浮柱。
8.较佳地，所述供气设备包括氮气罐、输气管以及设置在输气管上的减压阀和流量计。
9.较佳地，所述气浮柱还连接有含染料的废液储存设备，所述原料储存设备通过蠕动泵与气浮柱内部连通，用于给气浮柱内供应含染料的废液。
10.较佳地，气浮柱还连接有分离后液体存储设备。
11.较佳地，气浮柱靠近其底部进气端处设有气体分布器。
12.含染料的废液中的染料包括刚果红染料。
13.脱附糟和清洗槽内还均设有磁力搅拌装置。
14.本发明还提供了一种含染料的废水处理方法，具体是含染料的废水在气浮处理的同时通过吸附剂带吸附燃料并传输至脱附槽进行脱附处理，最后再进入脱附槽进行清洗，通过吸附剂带的转动不断吸附、脱附、清洗实现连续去除废水中染料的方式。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出使用带式吸附代替颗粒吸附，将气浮分离技术与吸附分离技术耦合起来的气助带式吸附分离技术，能够解决现有技术中复杂染料废水吸附分离过程所存在的难题，建立可适用于悬浮液体系且易于连续的气助带式吸附分离方法。
16.气浮耦合带式吸附分离过程可以在本发明的吸附分离装置上很容易地实现“一站式”吸附、脱附和洗涤过程的全流程连续处理方式。实现从大体积、含复杂颗粒的染料废水中高效回收染料的目的。
17.本发明还实验研究了该带式吸附剂对刚果红染料的吸附与脱附性能，进一步考察了染料初始浓度、ph值和离子强度对吸附效果的影响。结果表明：带式吸附剂的最大饱和吸附容量为460.83mg/m2，带式吸附可在120min内达到吸附平衡，5min内吸附率可达平衡吸附率的16％，用乙醇作为脱附剂，其脱附率在5min内可达24.76％，约10min达到脱附平衡，脱附率为26.79％。
附图说明
18.图1为本发明间歇气助带式吸附分离设备的结构示意图；
19.图2为本发明连续气助带式吸附分离设备的结构示意图；
20.图3为本发明中性条件下的刚果红标准曲线；
21.图4为本发明酸性条件下的刚果红标准曲线；
22.图5为本发明吸附剂对刚果红分子的吸附平衡图；
23.图6为本发明带式吸附剂对刚果红分子的脱附平衡图；
24.图7为本发明刚果红初始浓度对吸附效果的影响；
25.图8为本发明langmuir拟合曲线；
26.图9为本发明溶液中离子强度对刚果红吸附效果的影响；
27.图10为本发明ph对刚果红去除效果的影响。
28.附图标记说明：
29.1.气浮柱，2.进气端，3.氮气罐，4.脱附糟，5.清洗槽，6.吸附剂带，7.主动轮，8.从动轮，9.输气管，10.减压阀，11.流量计，12.废液储存设备，13.蠕动泵，14.分离后液体存储设备，15.气体分布器，16.气泡，17.刚果红分子，18.淤泥颗粒。
具体实施方式
30.下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.如图1-2所示，本发明提供的一种含染料的废水处理装置，包括气浮柱1，其顶部开
口，底部设有进气端2，所述进气端2与供气设备连接；吸附剂带6；
32.传动机构，包括主动轮7和多个从动轮8，所述主动轮7与驱动电机的输出轴连接，所述吸附剂带6套装于主动轮7和多个从动轮8上构成带轮传动机构；所述吸附剂带6吸附染料后依次经过设在气浮柱1外周的脱附糟4和清洗槽5后再次进入气浮柱1。
33.优选地，所述供气设备包括氮气罐3、输气管9以及设置在输气管9上的减压阀10和流量计11。
34.优选地，所述气浮柱1还连接有含染料的废液储存设备12，所述原料储存设备12通过蠕动泵13与气浮柱1内部连通，用于给气浮柱1内供应含染料的废液。
35.优选地，气浮柱1还连接有分离后液体存储设备14。
36.优选地，气浮柱1靠近其底部进气端处设有气体分布器15。
37.优选地，含染料的废液中的染料包括刚果红染料。
38.优选地，脱附糟4和清洗槽5内还均设有磁力搅拌装置
39.本发明还提供了一种含染料的废水处理方法，含染料的废水在气浮处理的同时通过吸附剂带吸附燃料并传输至脱附槽进行脱附处理，最后再进入脱附槽进行清洗，通过吸附剂带的转动不断吸附、脱附、清洗实现连续去除废水中染料的方式。
40.实验例1
41.1)实验试剂及仪器
42.表1实验试剂一览表
[0043][0044][0045]
表2实验仪器一览表
[0046][0047]
2)带式吸附剂对刚果红的吸附速率与吸附性能
[0048]
在长10cm，宽6cm，高5cm的敞口玻璃槽中倒入一定量的刚果红溶液。将长6cm，宽5cm的带状涤纶作为带式吸附剂浸没至该溶液中，静置吸附。在探究吸附速率时，需每隔一段时间取一次上层溶液，测出此时刚果红的浓度，并计算5min内的吸附率、平衡吸附量与该带式吸附剂对刚果红达到吸附平衡所用的时间。吸附性能实验探究的刚果红的初始浓度范围为20～200mg/l，离子强度范围为0.1～1.0mol/l，溶液ph值范围为3.0～11.0。实验均在室温下进行。
[0049]
吸附速率实验具体过程如下：首先在100ml的容量瓶中配好浓度为80mg/l的刚果红溶液，取80ml该刚果红溶液倒入玻璃槽中，将剪裁好的带式吸附剂完全浸没至上述刚果红溶液中，静置吸附。在吸附后的5min、15min、30min、50min、60min、80min、120min、180min分别取玻璃槽中的上层溶液3ml(测完后倒回玻璃槽中继续吸附)，测出刚果红分子的浓度，并在此基础上计算该带式吸附剂对刚果红分子5min内的去除率、平衡吸附量与该带式吸附剂对刚果红达到吸附平衡所用的时间。其中刚果红染料的浓度可以先通过可见分光光度计测出其吸光度，再根据图3-4所示的浓度与吸光度标准曲线求得。带式吸附剂对刚果红的吸附量(adsorbance,a)与去除率(removal ratio,r)分别根据公式(1)和(2)计算得出。
[0050]
吸附性能实验具体过程如下：将裁好的带式吸附剂置于长10cm，宽6cm，高5cm的敞口有机玻璃槽中，向玻璃槽中加入100ml模拟染料废水，使带式吸附剂完全浸没在染料废水下，实验探究的刚果红的浓度范围在20～200mg/l，离子强度范围在0.1～1.0mol/l，溶液ph值范围在3.0～11.0，离子强度通过加入氯化钠进行调节，ph通过盐酸和氢氧化钠溶液调节，吸附时间为120min，刚果红溶液体积为100ml，静置吸附。吸附完成后，用吸管取上层清液3ml，测出刚果红分子的的浓度，其中刚果红浓度与其去除率的求法同吸附速率实验中所述一致。
[0051]
3)带式吸附剂对刚果红的脱附速率与脱附性能
[0052]
该实验用乙醇溶液作为脱附液，向敞口玻璃槽中倒入脱附液，将上述吸附实验中吸附了刚果红分子的带式吸附剂浸没于脱附液中，玻璃槽下方放置一个磁力搅拌器，每隔一段时间取玻璃槽中的上层溶液3ml，测出脱附液中刚果红分子的的浓度，计算5min内的脱附率与脱附平衡时间。该实验在室温下进行。
[0053]
具体实验过程如下：向敞口玻璃槽中倒入脱附液(无水乙醇)150ml，玻璃槽下方放置一个磁力搅拌器，将吸附了刚果红分子的带式吸附剂浸没于脱附液中，打开磁力搅拌器
开关，在脱附后的3min、5min、10min、15min、30min分别取玻璃槽中的上层溶液3ml(测完后倒回玻璃槽中继续脱附)，测出刚果红的浓度，并在此基础上计算该带式吸附剂5min内对刚果红的脱附率以及脱附平衡时间。脱附液中刚果红浓度可由图3-4所示的浓度与吸光度标准曲线求得，刚果红的脱附率(desorptionratio,d)根据公式(3)计算得出。
[0054]
4)刚果红浓度-吸光度标准曲线的测定
[0055]
在100ml的容量瓶里面分别配置10mg/l、20mg/l、40mg/l、60mg/l、80mg/l和100mg/l的刚果红溶液，超声30s，使其分散均匀。再使用可见分光光度计测定上述不同浓度的刚果红溶液的吸光度。以吸光度为x轴，浓度为y轴绘制曲线，并生成线性回归方程，若r2达到0.999及以上，则表示拟合效果较好，此刚果红标准曲线可以使用。若r2未达到0.999，则重新配置不同浓度的刚果红溶液直至达标为止。上述操作分别在中性条件(ph＝7)和酸性条件(ph＝3)下进行，得到两条刚果红浓度-吸光度标准曲线，如下图3-4所示。需要注意的是，为了提高准确性，刚果红标准曲线每隔一段时间需重新校准一次。因此，相同参数条件下，测出的结果会有一定的误差。
[0056]
表3线性回归方程及相关系数
[0057][0058]
5)吸附量、去除率和脱附率的定义
[0059]
带式吸附剂对刚果红的吸附量(adsorbance,a)和去除率(removal ratio,r)的定义如下：
[0060][0061][0062]
c0刚果红的初始浓度(mg/l)；c
t
吸附t时刻后溶液中的刚果红浓度(mg/l)；v原溶液体积(l)；s带式吸附剂的面积(m2)。
[0063]
带式吸附剂对刚果红的脱附率(desorption ratio,d)定义如下：
[0064][0065]ct
脱附t时刻后溶液中的刚果红浓度(mg/l)；v脱附液体积(l)；m0带式吸附剂上刚果红的量(mg)。
[0066]
结果与讨论
[0067]
1)带式吸附剂的吸附速率
[0068]
图5为吸附剂对刚果红分子的吸附平衡图，
[0069]
如图所示，在一定的条件下，长6cm，宽5cm的带式吸附剂5min内对刚果红分子的去除率达到1.80％。该带式吸附剂在大约120min内可达到吸附平衡，达到平衡时的去除率为
11.27％，根据公式(1)计算可得此时的平衡吸附量为120mg/m2。
[0070]
带式吸附剂面积60cm2，刚果红初始浓度80mg/l，ph＝7，溶液体积80ml
[0071]
2)带式吸附剂的脱附速率
[0072]
图6为带式吸附剂对刚果红分子的脱附平衡图，如图所示，根据公式(3)可得该带式吸附剂5min内对刚果红分子的脱附率达到24.76％。在大约10min内达到脱附平衡，此时的脱附率为26.79％，这说明该带式吸附剂具有很强的快速脱附能力。
[0073]
带式吸附剂面积60cm2，吸附剂上的刚果红浓度4mg/l，ph＝7，脱附液体积150ml。
[0074]
3)带式吸附剂的最大饱和吸附容量
[0075]
图7表示刚果红初始浓度对吸附效果的影响。带式吸附剂面积60cm2，ph＝7，吸附时间2h，溶液体积100ml，由下图可以看出，随着刚果红初始浓度的增加，带式吸附剂对刚果红的吸附量越来越高。在吸附实验中，当刚果红初始浓度为20mg/l时，其吸附量为99mg/m2，当刚果红初始浓度增加到200mg/l时，其吸附量为330mg/m2。分析原因，这是由于初始浓度提供了一个重要的驱动力来克服水相和固相之间刚果红的所有传质阻力。随着刚果红溶液浓度的增加，每单位平方米带式吸附剂吸附的刚果红的量增加，高浓度梯度降低了刚果红和带式吸附剂之间的传质阻力，增强了刚果红与带式吸附剂之间的相互作用，导致刚果红吸附量随着其浓度的增加而增加。
[0076]
由于吸附2h后的吸附容量也是每个浓度所对应的平衡吸附量，因此可利用这些数据通过langmuir等温吸附方程(4)进行线性拟合，如图8所示。由相关参数(见表4)可知langmuir方程(相关系数r2》0.99)可以较好地描述带式吸附剂对刚果红的吸附，该吸附过程主要为单层吸附。
[0077][0078]ce
平衡吸附浓度(mg/l)；qe平衡吸附量(mg/m2)；qm最大饱和吸附容量(mg/m2)；k
a langmuir等温吸附方程常数。
[0079]
表4langmuir拟合相关参数
[0080][0081]
4)离子强度的影响
[0082]
图9表示溶液中离子强度对刚果红吸附效果的影响。从图中可以看出，当离子强度从0.1到1.0mol/l逐渐增加，带式吸附剂对刚果红分子的吸附效果明显增强。当离子强度为1.0mol/l时，吸附效果是最好的，此时吸附剂对刚果红的吸附量达到313mg/m2。分析原因，这是因为随着离子强度的增加，na
+
也随之增加，水中游离的na
+
中和了刚果红溶液中所带的阴离子，使其更容易接近吸附剂表面。而且nacl能降低刚果红在水中的溶解度，从而减小带式吸附剂对刚果红染料的吸附难度。综上，刚果红的吸附量随着离子强度的增加而增加。
[0083]
带式吸附剂面积60cm2，刚果红初始浓度40mg/l，ph＝7，吸附时间2h，溶液体积100ml
[0084]
5)初始ph的影响
[0085]
图10表示ph对刚果红去除效果的影响。带式吸附剂面积60cm2，刚果红初始浓度40mg/l，吸附时间2h，溶液体积100ml。在本实验中，ph等于3时，刚果红颜呈现紫，ph大于3时，刚果红颜呈现红(因此计算刚果红吸附浓度时要用与之对应的标准曲线)。根据实验现象可知，当ph值为3时，吸附剂几乎不吸附刚果红。当ph值为11时，带式吸附剂对刚果红的吸附效果最好，吸附量为186mg/m2。分析原因，过酸的条件下，h
+
附着在带式吸附剂表面，占据了吸附位点，阻碍了吸附的进行。当ph大于5时，随着ph的升高，吸附量先降低，这是因为，溶液中电离的oh-增多，与刚果红所带负电荷相排斥，抑制了吸附的进行。当ph大于7时，随着ph的升高，吸附量增大，是因为带式吸附剂表面的电荷从负电荷变为了正电荷，吸引了带负电荷的刚果红，促进了吸附的进行。
[0086]
综上，本实施例选择以带状涤纶作为带式吸附剂，实验结果表明带式吸附剂对刚果红的最大饱和吸附容量为460.83mg/m2。吸附可在120min内达到平衡，5min内吸附率可达平衡吸附率的16％。用乙醇作为脱附剂，其脱附率在5min内可达24.76％，约10min达到脱附平衡，脱附率为26.79％。说明带状涤纶对刚果红染料具有良好的快速吸附性能与脱附性能。
[0087]
实验例2
[0088]
1)在带式吸附剂分离技术的基础上，本实施例气浮式与带式吸附耦合的方式具有分离效率高、易操作和成本低等优点，利用气泡连续将溶液中的目标污染物快速传递并富集到液面，带式吸附剂通过与液面接触捕获该目标污染物，然后通过脱附液面与洗涤液面，使带式吸附剂再生，重复之前的吸附过程，从而实现对整个溶液中目标污染物的高效吸附分离。由此，本实验设计并搭建了间歇气助带式吸附分离设备。并以刚果红染料作为目标污染物，选用了涤纶作为带式吸附剂，将刚果红模拟废水作为分离体系。考察了刚果红初始浓度、离子强度、溶液初始ph、气体流速、表面活性剂(ctab)等参数对间歇气助带式吸附分离效率的影响规律；探究了该带式吸附剂的循环使用性能；另外用淤泥颗粒模拟了悬浮液分离体系，并探究了该间歇气助带式吸附分离设备对悬浮颗粒溶液分离体系的适用性。
[0089]
2)带式吸附剂预处理过程：由于涤纶具有羟基、苯环等官能团，能与刚果红分子支链上的基团发生络合，对刚果红分子具有很好的吸附作用，而且涤纶成本低、易操作，因此本实验采用涤纶作为带式吸附剂。将买来的涤纶布料剪裁成长300cm，宽5cm的长方形布条，用针线缝合首尾两端，做成环状，制成带式吸附剂。在实验进行之前，将该带式吸附剂浸没至超纯水中，漂洗，拧干。这样做的目的一方面是可以洗去带式吸附剂上的灰尘、线头等杂质，另一方面，前期的试验表明，湿润的带式吸附剂对刚果红染料的吸附更有利。
[0090]
刚果红原料液的制备：首先用分析天平称取2.0g的刚果红试剂，然后将称量好的刚果红染料粉末溶解至一定量的超纯水中，超声10min。最后将溶解后的刚果红溶液转移至1l的容量瓶中，定容。由此制备好浓度为2.0g/l的刚果红溶液1l待用。
[0091]
间歇气助带式吸附分离装置与实验过程
[0092]
图1为自主设计并搭建的间歇气助带式吸附分离装置，主要由气助装置(包括氮气瓶、转子流量计、减压阀、气浮柱)、主动轮、从动轮、带式吸附剂、脱附槽和洗涤槽组成，气浮柱的内径4cm、柱内高23cm，上端方形槽长6cm，宽6cm。气浮柱的顶部设置有被滑轮固定位置的带式吸附剂。电机驱动主动轮转动，进而实现带式吸附膜的运转，脱附槽中装有脱附液无水乙醇，洗涤槽装有洗涤液超纯水。
[0093]
实验原理如下：
[0094]
在气浮柱下通入氮气，将待分离的刚果红原料液填充至气浮柱中，刚果红分子会被气泡捕获并输送到带式吸附剂附近，形成刚果红染料富集区，被带式吸附剂带出。带式吸附剂先通过脱附槽将刚果红分子脱附下来，再通过洗涤槽完成洗涤过程，最后再生的带式吸附剂又重新用于吸附，如此循环，完成气助带式吸附分离过程。脱附槽和洗涤槽下方都设有磁力搅拌器，目的是使脱附液与洗涤液中的溶质均匀分布。
[0095]
实验步骤如下：
[0096]
(1)准备工作：
[0097]
打开气阀、减压阀一段时间，使氮气气流维持稳定。将实验例2的2)中的刚果红溶液用相应的溶剂稀释到30mg/l，保存至500ml的容量瓶中。将此容量瓶超声10min，用量筒取原料液填充到气浮柱中，将其他装置如图1搭建好，带式吸附膜由各从动轮及主动轮固定，使其与原料液面完全接触。电机驱动轮转速为设定值2r/min，调节气体流量。实验中，脱附液体积200ml，洗涤液体积200ml。
[0098]
(2)具体实验过程如下：
[0099]
从电机驱动主动轮运行开始计时，带式吸附膜与气浮柱中的原料液面完全接触，刚果红分子被上升气泡捕获并被富集到液面，连续转动的带式吸附剂将刚果红分子捕获并带出原料液。带式吸附膜先通过脱附液无水乙醇，将刚果红分子脱附至脱附槽，经脱附的带式吸附剂与洗涤槽中的洗涤液超纯水接触，洗净吸附剂上的乙醇，从而使得吸附剂再生。最后经再生的带式吸附剂重新用于吸附过程，如此循环。直至观察到气浮柱中刚果红溶液的去除率达到差不多90％时，在气浮柱上液面取5ml溶液，用可见分光光度计测定此时溶液的吸光度，其浓度根据实验例1的4)中所述的方法，由测得的刚果红浓度-吸光度标准曲线求得。由此确定带式吸附剂对刚果红的具体去除率，并记下此时的运行时间。所有实验均在室温下进行。带式吸附剂制成长300cm，宽5cm的环状，吸附性能实验中探究的刚果红的初始浓度范围为10～120mg/l，离子强度为0.1～1.0mol/l，离子强度通过加入氯化钠进行调节，溶液ph值为3.0～11.0，ph通过盐酸和氢氧化钠溶液调节，气体流速为20～100ml/min，表面活性剂(ctab)与刚果红的物质的量的比值范围为0～3.0。刚果红溶液体积为375ml，所有实验均在室温下进行。
[0100]
单一过程与耦合过程分离性能对比
[0101]
为了对比单一过程与耦合过程的分离性能，分别在气助吸附分离加脱附装置、气助吸附分离无脱附装置、气助吸附分离无脱附装置(带式吸附剂间隔3min转一次)、无气助吸附分离加脱附装置等四种不同条件下进行对比实验(上述没有特别标注转动条件的吸附分离实验，带式吸附剂都是连续转动的)。控制上述四种实验条件运行的时间都为130min，取气浮柱上层清液5ml，用与实验例2中同样的方法，测出该清液中所含的刚果红浓度。带式吸附剂对刚果红的去除率根据公式(2)计算得出。本实验在刚果红初始浓度为30mg/l，气速为60ml/min，离子强度为1mol/l的中性条件中进行。
[0102]
带式吸附剂的循环使用性能
[0103]
对带式吸附剂的循环使用性能的探究，主要过程与上述的实验过程类似，只是在此基础上需要每隔2h更换一次气浮柱中的刚果红原料液，而带式吸附剂不更换，其他条件均不变。实验每进行2h，需检测一次，取气浮柱上层清液5ml，用与实验例2中同样的方法，测
出该清液中所含的刚果红浓度。带式吸附剂对刚果红的去除率根据公式(2)计算得出。脱附液与洗涤液视情况更换。本实验在刚果红初始浓度为30mg/l，气速为100ml/min，离子强度为1.0mol/l的中性条件中进行。
[0104]
吸附动力学
[0105]
研究吸附动力学，对于探究其吸附机理有重要的意义。本实验通过探究吸附时间与其所对应的刚果红吸附量，得到吸附动力学的相关数据，再使用lagergren伪一级动力学模型和伪二级动力学模型对吸附刚果红的动力学过程进行数据拟合，得到相应的相关系数r2。吸附动力学研究主要是通过动力学模型对数据进行拟合来探讨其吸附机理。
[0106]
伪一级动力学方程：
[0107][0108]
伪二级动力学方程：
[0109][0110]
qe达到平衡时的去除率(％)；q
t t时刻的去除率(％)；t时间(min)；k1准一级动力学吸附速率常数(min-1
)；k2准二级动力学吸附速率常数(1/％
·
min)。
[0111]
气助带式吸附分离用于直接去除悬浮废水中的刚果红
[0112]
为了证明带式吸附剂在颗粒溶液分离体系中也适用，本实验就地取材，在当地池塘采集了一定量的淤泥。先将采集的淤泥预处理，此过程主要是除去池塘淤泥中的碎石、沙砾以及杂草等物质，经过沉淀、过滤等操作，得到均一的淤泥悬浮颗粒溶液。取两个蒸发皿，干燥，称重，编号。在均一的淤泥颗粒溶液中分别取2ml置于蒸发皿中，将蒸发皿放置到真空干燥箱干燥24h，再次将蒸发皿称重，前后重量相减取平均值，得到制备的淤泥颗粒溶液的浓度，计算公式如(2.3)。由此高浓度的淤泥溶液稀释成不同低浓度的淤泥溶液进行相关的实验探究。
[0113]
用配好的一定浓度的淤泥溶液作为溶剂，将实验例2的2)中的刚果红溶液用该溶剂稀释到30mg/l，在气速为60ml/min的中性条件下进行间歇气助带式吸附分离实验。在不同淤泥浓度下，当观察到浮柱中刚果红溶液去除率达到差不多90％时，在气浮柱上液面取5ml溶液，用与实验例2中同样的方法，测出该清液中所含的刚果红浓度，计算去除率，并记下此时的运行时间。除此之外还要观察实验后脱附液与洗涤液中是否有淤泥颗粒，从而确定气浮柱中的淤泥颗粒是否被带出。这里要注意的是吸附实验结束后，取得的刚果红溶液中含有淤泥颗粒，所以要先通过离心机离心，再取上层清液去测定此时刚果红溶液的吸光度，从而计算刚果红的去除率。
[0114][0115]
c淤泥溶液浓度(g/ml)
[0116]
m2真空干燥前蒸发皿的质量(g)
[0117]
m1真空干燥后蒸发皿的质量(g)
[0118]
v淤泥颗粒溶液体积(ml)
[0119]
结果与讨论
[0120]
1)单一过程与耦合过程的分离性能对比
[0121]
为了表现出气助过程与脱附过程对吸附分离效果的影响，设计了如表5所示的几个对比实验，在不同的条件下，吸附相同的时间130min，记录此时的实验现象与带式吸附剂对刚果红的去除率。从下表可以看出，在同时有气助过程与脱附过程且带式吸附剂连续转动的条件下，去除率最高为90.64％；在有气助过程，无脱附过程，带式吸附剂每隔3min转一次的条件下，去除率最低为71.28％；而在有脱附过程，无气助过程，带式吸附剂连续转动的条件下，吸附气浮柱柱中刚果红的距离仅为1.1cm。分析原因，一方面脱附过程可以实现带式吸附剂的再生利用，这样可以提高对刚果红的去除率，而如果不加脱附装置，就无法实现带式吸附剂的再生，吸附剂上的有效吸附位点又是有限的，由此导致刚果红去除率下降。另一方面，由于没有气助过程，带式吸附剂只能吸附其周围小范围内的刚果红分子。而气助过程可以将溶液中的刚果红分子快速运送到带式吸附剂的液面附近，并使刚果红分子在此富集，从而更容易被带式吸附剂吸附，由此实现对整个溶液中刚果红染料的分离。由此可以证明：气助过程与脱附过程都可以促进带式吸附剂对刚果红染料的分离。
[0122]
表5单一过程与耦合过程分离性能对比表
[0123][0124]
2)刚果红初始浓度的影响
[0125]
实验结果表明随着刚果红初始浓度的增加，吸附剂对刚果红的吸附容量越来越高。实验中刚果红溶液的处理量均为375ml，吸附时间为2h。在吸附实验中，当初始浓度为10mg/l时，其去除率为8mg/m2，当初始浓度为120mg/l时，其去除率为52mg/m2。初始浓度提供了一个重要的驱动力来克服水相和固相之间刚果红的所有传质阻力。随着初始浓度的增加，每单位平方米带式吸附剂吸附的刚果红的量增加，高浓度梯度降低了刚果红和吸附剂之间的传质阻力，增强了刚果红与吸附剂之间的相互作用，在气助条件下，这种作用更加明显。
[0126]
3)离子强度的影响
[0127]
实验表明在带式吸附剂对刚果红的去除率都达到90％左右的情况下，随着离子强度从0.1到1.0mol/l逐渐增加，其所用的吸附时间是越来越短的，也就是说随着离子强度的增加，带式吸附剂对刚果红的去除效果越来越好。当离子强度为0.1mol/l，去除率达到91.30％时，所用时间为205min；当离子强度为1.0mol/l，去除率达到90.64％时，所用时间为130min。分析原因，在气助条件下，随着离子强度的增加，na
+
也随之增加，水中游离的na+
中和了刚果红溶液中所带的阴离子，使其更容易接近吸附剂表面，从而提高了对刚果红分子的吸附。另一方面，nacl能降低刚果红分子在水中的溶解度，从而降低了吸附剂对刚果红的吸附难度，使得去除率达到相同程度时，吸附时间缩短。
[0128]
4)初始ph的影响
[0129]
实验结果表明，在带式吸附剂对刚果红的去除率都达到98％左右的情况下，随着ph逐渐增加，其所用吸附时间的大致趋势是先增加后降低的。实验中，ph小于5时，刚果红溶液呈现紫，但是随着吸附的进行，带式吸附剂不断的通过脱附液与洗涤液再生，使得气浮柱中的刚果红逐渐呈现出红。当ph＝11，去除率达到97.91％时，所用的吸附时间为165min，此时的吸附分离效果最佳。分析原因，随着ph的增加，达到相同吸附程度的吸附时间先增加，这是因为溶液中电离出的oh-增多，与带负电荷的刚果红同性相斥，抑制了刚果红的吸附，使吸附效果减弱，吸附时间延长。当ph增加到一定程度，吸附时间又减少是因为带式吸附剂表面的电荷从负电荷变为了正电荷，静电作用可以吸引带负电荷的刚果红，而此时的静电作用大于之前提到的电离作用，所以有利于吸附的进行，吸附时间也随之缩短。
[0130]
5)气体流速的影响
[0131]
实验结果表明在带式吸附剂对刚果红的去除率都达到90％左右的情况下，随着气体流速从20到100ml/min逐渐增加，其所用的吸附时间是越来越短的，也就是说随着气体流速的增加，带式吸附剂对刚果红的去除效果越来越好。当气体流速为20ml/min，去除率达到92.06％时，所用时间为140min；当气体流速为100ml/min，去除率达到92.91％时，所用时间为110min。分析原因，在此气速范围内，随着气体流速的增加，悬浮柱底部的刚果红分子源源不断的送入带式吸附剂附近，使得刚果红分子与吸附膜的接触面积增大，从而使吸附量增大，使得去除率达到相同程度时，吸附时间缩短。
[0132]
6)表面活性剂(ctab)的影响
[0133]
本实验以十六烷基三甲基溴化铵(ctab)为例，探究表面活性剂对刚果红吸附效果的影响。ctab作为一种表面活性剂，可以保证气浮过程中气泡的稳定，同时也是一种起泡剂。通过实验现象可知：当ctab与刚果红物质的量的比值大于或等于0.5时，气泡量较为丰富，若任其发展，泡沫会溢出气浮柱，需要滴加消泡剂才可以控制。实验结果表明，没有添加ctab的吸附效果是最差的，去除率达到90.64％时需要130min。在带式吸附剂对刚果红的去除率都基本达到90％的情况下，随着ctab投放量的增加，其吸附所用的时间是先减少后增加，也就是说ctab对刚果红的吸附是先促进后抑制。当ctab与刚果红物质的量的比值为1.0时，去除率达到90.14％的时间为45min，此时的吸附分离效果最佳。分析原因，ctab中的阳离子与刚果红中的阴离子可通过静电作用形成缔合物，使刚果红分子聚集，而且ctab分子的疏水组分也可增强刚果红在气-水界面的吸附性能。因此，少量的ctab可以辅助絮凝并将刚果红染料驱至气-水界面，使其更容易被带式吸附剂吸附。但是加入过量的ctab，去除效果反而不佳，这是因为过量的ctab会与缔合物竞争带式吸附剂上有限的吸附位点，影响刚果红吸附。此外，表面活性剂作为一种助剂，本身就有一定的气浮率，因此，加适量的表面活性剂对水体是没有污染的。
[0134]
7)表面活性剂(ctab)与离子强度的共同影响
[0135]
在原料液中含有一定浓度的na+的条件下，表面活性剂(ctab)对刚果红吸附的影响与没有na
+
时对刚果红吸附的影响大致相同，但是单位时间的吸附效率却大大增加。实验
结果表明，随着ctab与刚果红物质的量的比值从0到3.0逐渐变化，带式吸附剂对刚果红的去除率基本达到90％所用的吸附时间是先减少后增加的，这表明ctab对刚果红的吸附也是先促进后抑制。没有添加ctab的吸附效果是最差的，吸附分离效果最佳的条件与上述实验相同，即ctab与刚果红物质的量的比值为1.0时，去除率达到92.41％所用的时间仅为25min。这说明，离子强度与表面活性剂对刚果红的吸附是相互促进的作用。
[0136]
8)带式吸附剂的循环使用性能
[0137]
该实验每间隔2h更换一次原料液，而带式吸附剂不更换。每次的吸附时间都为2h，即带式吸附剂约循环使用8次(实验测得带式吸附剂每完整运行一次的时间约为15min)。从实验结果可以看出原料液共连续更换5次，即实验连续运行10h，带式吸附剂约循环使用40次。每次更换原料液后，带式吸附剂对刚果红的去除率分别为91.55％，90.99％，89.31％，85.40％和81.20％。随着原料液更换次数的增加，刚果红的去除率逐渐降低。分析原因，这是由于带式吸附剂上的吸附位点是有限的，吸附剂循环使用次数增加，吸附剂上的部分刚果红未成功脱附，这使吸附剂上吸附位点逐渐减少，刚果红的去除率降低。这个实验也说明了，该带式吸附剂的循环使用是可行的，原料液连续更换3次，即实验连续运行6h，带式吸附剂约循环使用24次，其对刚果红的吸附基本都能达到90％。
[0138]
9)气助带式吸附动力学
[0139]
实验结果表明去除率随着吸附时间的增加而逐渐升高，当吸附时间从30min增加到390min时，去除率从59.89％增加到98.53％，与之对应的吸附量也从23mg/m2增加到37mg/m2，之后两者都再无明显变化，说明吸附已达到平衡。分析原因，在实验开始时，带式吸附剂上的吸附位点较多，吸附较快，随着吸附过程的进行，有效吸附位点慢慢被占据，因此带式吸附剂上的的活性位点逐渐变少，溶液中刚果红的量也逐渐降低，吸附速率变慢，直至不再变化。
[0140]
由带式吸附剂对刚果红吸附动力学模型的相关参数(见表6)可以看出，准二级动力学模型对实验数据的拟合相关系数比准一级动力学模型高，因此，准二级动力学模型比准一级动力学模型更适合用于描述该带式吸附剂对模拟废水中刚果红的吸附过程。
[0141]
表6吸附动力学的相关参数
[0142][0143]
注：qe,exp为实验数值；qe,cal为拟合数值
[0144]
10)间歇气助带式吸附分离直接处理悬浮废水中刚果红的性能
[0145]
本实验是模拟颗粒溶液(悬浮液)体系，这里选用的悬浮颗粒是淤泥颗粒。以此探究该间歇气助带式吸附分离装置对吸附悬浮液体系中的刚果红的适用性。本实验中，刚果
红浓度均为30mg/l，淤泥浓度选取5个梯度。实验结果表明在带式吸附剂对刚果红的去除率都达到90％左右的情况下，随着淤泥浓度由50～300mg/l递增，所用的时间是不断增加的。当淤泥浓度为300mg/l时，在450min对刚果红的去除率可达92.60％。分析其原因，这是因为淤泥颗粒阻碍了刚果红与吸附剂的接触，淤泥颗粒浓度越大，刚果红与吸附剂接触面积就越小，所以对刚果红的吸附效果越差。根据实验现象可以发现，每次吸附实验后，在脱附液与洗涤液中都未观察到淤泥颗粒，因此，该实验装置适用于颗粒溶液体系的分离，在吸附分离刚果红的过程中不会将淤泥带出。
[0146]
本实施例以长300cm，宽5cm的环状带式吸附剂吸附刚果红模拟废水，吸附的刚果红溶液体积为375ml。设计并搭建了如图1所示的间歇气助带式吸附分离设备，将带式吸附与气浮分离耦合，开展了从染料废水中高效回收刚果红的可行性实验，得出以下结论：
[0147]
气浮能显著加速吸附分离过程，添加表面活性剂ctab能更进一步强化该过程，在优化的分离条件下，气助带式吸附分离30mg/l的刚果红废水，在165min对废水中刚果红的去除率可达97％以上。
[0148]
本实验以含300mg/l的细泥浆(淤泥)、30mg/l的刚果红作为模拟悬浮废水，将气助带式吸附分离法用于直接处理这些悬浮废水，在450min对刚果红的去除率可达92.60％，且带式吸附剂能与悬浮液母液实现良好的分离。此外，优化条件下，该带式吸附剂连续重复使用6h，即带式吸附剂约循环使用24次，其对刚果红的吸附基本都能达到90％。
[0149]
实验例3
[0150]
在上述间歇分离设备的基础上，本实施例还构建了全流程连续气助带式吸附分离设备。以长300cm，宽5cm的环状带式吸附剂吸附刚果红模拟废水，开展了从废水中高效回收刚果红染料的可行性实验，得出以下主要结论：
[0151]
(1)设计并搭建了如图2所示的全流程连续气助带式吸附分离装置，获取了各过程参数对全流程连续过程的影响规律。在优化的分离条件下，所设计的小型实验分离装置连续处理30mg/l的刚果红模拟废水，连续处理量为20ml/min，刚果红的去除率可达98.68％，其中ctab与刚果红的物质的量的比值为0.5，离子强度1.0mol/l，ph＝7，气速80ml/min。
[0152]
(2)分别在刚果红模拟废水体系与悬浮液废水体系中考察了带式吸附剂循环使用性能。实验结果表明：优化条件下，带式吸附剂连续使用450min，即吸附剂循环使用30次，其对刚果红染料的去除率依旧可维持在90.15％的较优水平；带式吸附剂在悬浮液体系中连续运行420min，即吸附剂循环使用28次，其对刚果红染料的去除率为86.40％。
[0153]
(3)优化条件下，连续气助带式吸附分离用于直接处理含污泥浓度为100ml/min、30mg/l的刚果红模拟废水，连续处理量为20ml/min，刚果红的去除率可达87.63％，且带式吸附剂能与悬浮液母液实现良好的分离，证明了该连续方法可高效直接处理悬浮废水。
[0154]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种含染料的废水处理装置，其特征在于，包括：气浮柱(1)，其顶部开口，底部设有进气端(2)，所述进气端(2)与供气设备连接；吸附剂带(6)；传动机构，包括主动轮(7)和多个从动轮(8)，所述主动轮(7)与驱动电机的输出轴连接，所述吸附剂带(6)套装于主动轮(7)和多个从动轮(8)上构成带轮传动机构；所述吸附剂带(6)吸附染料后依次经过设在气浮柱(1)外周的脱附糟(4)和清洗槽(5)后再次进入气浮柱(1)。2.如权利要求1所述的含染料的废水处理装置，其特征在于，所述供气设备包括氮气罐(3)、输气管(9)以及设置在输气管(9)上的减压阀(10)和流量计(11)。3.如权利要求1所述的含染料的废水处理装置，其特征在于，所述气浮柱(1)还连接有含染料的废液储存设备(12)，所述原料储存设备(12)通过蠕动泵(13)与气浮柱(1)内部连通，用于给气浮柱(1)内供应含染料的废液。4.如权利要求1所述的含染料的废水处理装置，其特征在于，所述气浮柱(1)还连接有分离后液体存储设备(14)。5.如权利要求1所述的含染料的废水处理装置，其特征在于，所述气浮柱(1)靠近其底部进气端处设有气体分布器(15)。6.如权利要求1所述的含染料的废水处理装置，其特征在于，所述吸附剂带(6)为带含丰富羟基、酯基官能团的涤纶。7.如权利要求1所述的含染料的废水处理装置，其特征在于，所述驱动电机的转速2r/min。8.如权利要求3所述的含染料的废水处理装置，其特征在于，所述含染料的废液中的染料包括刚果红染料。9.如权利要求1所述的含染料的废水处理装置，其特征在于，所述脱附糟(4)和清洗槽(5)内还均设有磁力搅拌装置。10.一种含染料的废水处理方法，其特征在于，含染料的废水在气浮处理的同时通过吸附剂带吸附燃料并传输至脱附槽进行脱附处理，最后再进入脱附槽进行清洗，通过吸附剂带的转动不断吸附、脱附、清洗实现连续去除废水中染料的方式。

技术总结

本发明公开了一种含染料的废水处理装置及处理方法，属于废水染料处理技术领域。该包括气浮柱，其顶部开口，底部设有进气端，所述进气端与供气设备连接；吸附剂带；传动机构，包括主动轮和多个从动轮，所述主动轮与驱动电机的输出轴连接，所述吸附剂带套装于主动轮和多个从动轮上构成带轮传动机构；所述吸附剂带吸附染料后依次经过设在气浮柱外周的脱附糟和清洗槽后再次进入气浮柱。本发明提出使用带式吸附代替颗粒吸附，将气浮分离技术与吸附分离技术耦合起来的气助带式吸附分离技术，能够解决现有技术中复杂染料废水吸附分离过程所存在的难题，建立可适用于悬浮液体系且易于连续的气助带式吸附分离方法。气助带式吸附分离方法。气助带式吸附分离方法。